...(ni espero ver) es a un elefante volar.
Bienvenidos de nuevo, Pequeños Castores. Hoy os propongo hacer un viaje a un mundo de ilusión y fantasía más allá de la Ciencia Ficción ortodoxa pero sin abandonar ese espíritu bizarro que se inició en la última entrada. ¿Puede un elefante volar? Esa es la pregunta a la que intentaremos dar respuesta en esta entrada. ¿Preparados? ¡Despegamos!
Bienvenidos de nuevo, Pequeños Castores. Hoy os propongo hacer un viaje a un mundo de ilusión y fantasía más allá de la Ciencia Ficción ortodoxa pero sin abandonar ese espíritu bizarro que se inició en la última entrada. ¿Puede un elefante volar? Esa es la pregunta a la que intentaremos dar respuesta en esta entrada. ¿Preparados? ¡Despegamos!
¿Cómo funcionan las cosas?
¿Por qué vuelan los aviones?, pregunta habitual, ausencia de respuesta habitual y pesadilla recurrente de padres, tutores y cualquier otra criatura que se encuentre al cuidado de uno de esos curiosos espécimenes a los que llamamos cariñosamente niños. La explicación no es tan sencilla como, en un principio, pudiera parecer así que, tutores del mundo, desempolvad el mandilón, escoged el pupitre que más os guste y preparaos para la vuelta al cole. En cuanto a vosotros, niños, podéis saciar vuestra curiosidad leyendo este libro mientras vuestros padres tratan de comprender algo. Empecemos por unas nociones básicas de vuelo.
Cuando algunos cuerpos se desplazan a través de un fluido (como el aire), se genera una fuerza en dirección perpendicular a la del movimiento y en sentido ascendente que recibe el nombre de sustentación. Esta fuerza es la encargada de vencer la atracción de la gravedad terrestre y única culpable de que Dumbo no acabe estrellado contra el suelo. Para que esto ocurra, es necesario que el cuerpo en cuestión posea algún tipo de perfil aerodinámico, como un ala, una hélice o, en nuestro caso, unas orejas suficientemente grandes. Este tipo de superficies bien sea debido a su forma o a la orientación que tienen respecto al movimiento del cuerpo (ángulo de ataque), crean a su alrededor una distribución desigual del fluido que atraviesan; es decir, una oreja aerodinámicamente testada divide el flujo de aire por el que se desplaza en dos corrientes (superior e inferior) cuyo diferente carácter provoca la aparición de la citada fuerza de sustentación (1ª Ley de Dumbo).
Ahora que ya sabemos por qué es necesario que los aviones tengan alas o, en su defecto, orejas gigantes (es un pequeño paso), es el momento de intentar comprender de dónde proviene esa fuerza de sustentación. Existen dos principales teorías sobre su origen: una basada en el Teorema de Bernoulli y otra en la aplicación de las Leyes de Newton. Como hacer volar a un elefante es una tarea harto complicada, vamos a contemplar ambas posibilidades.
Cuando algunos cuerpos se desplazan a través de un fluido (como el aire), se genera una fuerza en dirección perpendicular a la del movimiento y en sentido ascendente que recibe el nombre de sustentación. Esta fuerza es la encargada de vencer la atracción de la gravedad terrestre y única culpable de que Dumbo no acabe estrellado contra el suelo. Para que esto ocurra, es necesario que el cuerpo en cuestión posea algún tipo de perfil aerodinámico, como un ala, una hélice o, en nuestro caso, unas orejas suficientemente grandes. Este tipo de superficies bien sea debido a su forma o a la orientación que tienen respecto al movimiento del cuerpo (ángulo de ataque), crean a su alrededor una distribución desigual del fluido que atraviesan; es decir, una oreja aerodinámicamente testada divide el flujo de aire por el que se desplaza en dos corrientes (superior e inferior) cuyo diferente carácter provoca la aparición de la citada fuerza de sustentación (1ª Ley de Dumbo).
Ahora que ya sabemos por qué es necesario que los aviones tengan alas o, en su defecto, orejas gigantes (es un pequeño paso), es el momento de intentar comprender de dónde proviene esa fuerza de sustentación. Existen dos principales teorías sobre su origen: una basada en el Teorema de Bernoulli y otra en la aplicación de las Leyes de Newton. Como hacer volar a un elefante es una tarea harto complicada, vamos a contemplar ambas posibilidades.
Presión vs. Velocidad (Bernoulli)
Podemos imaginar nuestro propio modelo de aire en movimiento como un conjunto de líneas continuas formadas por las sucesión de millones de moléculas de oxígeno, hidrógeno y polución en general moviéndose en la misma dirección y sentido. Como es lógico pensar, cuando una corriente de aire alcanza la parte delantera del ala (borde de ataque), se divide en dos flujos -superior e inferior- cada uno de los cuales está formado por una infinidad de pequeñas congas. Mientras que las fiesteras partículas del flujo inferior continúan su avance sin apenas modificar su trayectoria, el perfíl aerodinámico desvía las líneas del flujo superior reduciendo la distancia que las separa. Para muestra, un botón:
Más imaginación: pensad en la parte superior e inferior del ala como en dos conductos a través de los cuales se desplaza el mismo caudal de aire. El hecho de que las moléculas de Villarriba bailen más pegadas y que, por lo tanto, en nuestro modelo imaginario de tuberias, el conducto superior presente un estrechamiento, es una de las claves de la sustentación y da lugar a la presentación del primer invitado de la noche; un aplauso para Giovanni Battista Venturi. Este señor, artífice del llamado Efecto Venturi, comprobó experimentalmente que, en un conducto cerrrado, si el caudal no varía, la disminución de la sección del mismo implica un aumento de la velocidad del fluido que lo atraviesa. En cristiano, la velocidad de las moléculas de aire que se desplazan por encima de las orejas de Dumbo es más elevada pues es en esa zona donde el conducto presenta un estrechamiento (la distancia entre las líneas de aire es menor).
Ha llegado el gran momento en el que el protagonista entra en escena; ¿quién le iba a decir al matemático Daniel Bernoulli que 270 años depués de que se le ocurriera la feliz idea que daría lugar a su famoso principio, un alumno de Física en la Ciencia Ficción utilizaría sus formulaciones para el estudio de la viabilidad aérea de los elefantes? Esto demuestra que el universo es impredecible. Tema aparte; el Principio de Bernoulli no es más que una reformulación de la Ley de Conservación de la Energía aplicada a la hidrodinámica: en un conducto cerrado, la energía que posee un fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. ¿De qué formas puede poseer energía un fluido aparte de mediante un buen desayuno meditarráneo? Dentro lista:
Sin necesidad de pelearse con complicadas ecuaciones, cualquier mente despierta (y esto no el cuento del traje nuevo del emperador) podrá darse cuenta de que, sí la suma de toda la energía permanece constante, cualquier cambio en la velocidad y, por lo tanto, en la energía cinética de un fluido tendrá como consecuencia una variación de la presión. Interesante... déjame pensar... si la velocidad del aire que discurre por encima de las orejas de Dumbo es mayor (Venturi) y los cambios en la energía cinética de un fluido modifican su presión interna (Bernoulli)... ¡Eureka!, la superficie superior del ala de un avión soporta menos presión que la inferior lo que da lugar a una fuerza resultante ascendente... ¡sustentación!
El que no haya comprendido el último razonamiento ha de tener en cuenta que la presión no es más que una medida de la fuerza que se ejerce por unidad de superficie. Si la superficie es idéntica (que lo es, dada la simetría habitual de los pabellones auditivos paquidérmicos), a efectos prácticos, el modelo se comporta como si estuviera sometido a dos fuerzas enfrentadas. Por lo tanto, si la diferencia de presión entre las superficies inferior y superior de las orejas de Dumbo es suficientemente grande, la fuerza resultante que pugna por elevar su orondo cuerpecillo será capaz de vencer a la eterna atracción terrestre y acallar las burlas de los incrédulos cuervos.
Más imaginación: pensad en la parte superior e inferior del ala como en dos conductos a través de los cuales se desplaza el mismo caudal de aire. El hecho de que las moléculas de Villarriba bailen más pegadas y que, por lo tanto, en nuestro modelo imaginario de tuberias, el conducto superior presente un estrechamiento, es una de las claves de la sustentación y da lugar a la presentación del primer invitado de la noche; un aplauso para Giovanni Battista Venturi. Este señor, artífice del llamado Efecto Venturi, comprobó experimentalmente que, en un conducto cerrrado, si el caudal no varía, la disminución de la sección del mismo implica un aumento de la velocidad del fluido que lo atraviesa. En cristiano, la velocidad de las moléculas de aire que se desplazan por encima de las orejas de Dumbo es más elevada pues es en esa zona donde el conducto presenta un estrechamiento (la distancia entre las líneas de aire es menor).
- Energía cinética: debido al movimiento de sus partículas.
- Energía potencial: debido a su posición con respecto a la tierra.
- Energía de flujo: consecuencia de su presión interna.
Sin necesidad de pelearse con complicadas ecuaciones, cualquier mente despierta (y esto no el cuento del traje nuevo del emperador) podrá darse cuenta de que, sí la suma de toda la energía permanece constante, cualquier cambio en la velocidad y, por lo tanto, en la energía cinética de un fluido tendrá como consecuencia una variación de la presión. Interesante... déjame pensar... si la velocidad del aire que discurre por encima de las orejas de Dumbo es mayor (Venturi) y los cambios en la energía cinética de un fluido modifican su presión interna (Bernoulli)... ¡Eureka!, la superficie superior del ala de un avión soporta menos presión que la inferior lo que da lugar a una fuerza resultante ascendente... ¡sustentación!
El que no haya comprendido el último razonamiento ha de tener en cuenta que la presión no es más que una medida de la fuerza que se ejerce por unidad de superficie. Si la superficie es idéntica (que lo es, dada la simetría habitual de los pabellones auditivos paquidérmicos), a efectos prácticos, el modelo se comporta como si estuviera sometido a dos fuerzas enfrentadas. Por lo tanto, si la diferencia de presión entre las superficies inferior y superior de las orejas de Dumbo es suficientemente grande, la fuerza resultante que pugna por elevar su orondo cuerpecillo será capaz de vencer a la eterna atracción terrestre y acallar las burlas de los incrédulos cuervos.
¿La navaja de Ockham? (Newton)Existe una visión más simplista que resume todo lo anterior mediante un concepto sencillo, el principio de acción y reacción, es decir, la Tercera Ley de Newton: por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Desde este punto de vista, la forma e inclinación del perfil aerodinámico desvían la corriente de aire hacia abajo (downwash) lo que genera una fuerza opuesta bajo la superficie del ala que se opone a la atracción terrestre. Esto no sólo ocurriría con el flujo inferior de aire sino también con el superior debido al llamado Efecto Coanda (al rodear un objeto, los fluidos tienden a seguir su curvatura).
En realidad, se podría decir que las dos teorías son válidas y que el origen real de la fuerza de sustentación se debe a la combinación de ambos efectos. Es posible no sean más que dos maneras de explicar el mismo principio físico: la Ley de Conservación de la Energía.
Hasta aquí la primera parte de la entrada, notáblemente entretenida para tratarse de una clase puramente teórica. El próximo día, iremos al laboratorio para aplicar todos estos conceptos a la vida real así que no os olvidéis de traer la bata y una catapulta de elefantes por lo que pudiera pasar. :-)
Un saludo.
Ender
En realidad, se podría decir que las dos teorías son válidas y que el origen real de la fuerza de sustentación se debe a la combinación de ambos efectos. Es posible no sean más que dos maneras de explicar el mismo principio físico: la Ley de Conservación de la Energía.
Hasta aquí la primera parte de la entrada, notáblemente entretenida para tratarse de una clase puramente teórica. El próximo día, iremos al laboratorio para aplicar todos estos conceptos a la vida real así que no os olvidéis de traer la bata y una catapulta de elefantes por lo que pudiera pasar. :-)
Un saludo.
Ender
