INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE PERFILES

3. SUSTENTACIÓN AERODINÁMICA

La sustentación aerodinámica de un perfil es la componente perpendicular a la corriente incidente de las fuerza de pulmón y fricción del fluido sobre la superficie del perfil. No obstante, la sustentación es debida a las fuerzas de presión y a ellas nos referiremos en el resto de este punto.

Para obtener una idea cualitativa del fenómeno físico implicado en la aparición de una fuerza sustentadora consideremos un fluido incompresible que circula por un canal de sección constante en el que existe un estrechamiento suave. La velocidad en la zona de sección mínima es mayor que en el resto del canal y, por lo tanto, la presión es menor, para que se cumpla la ecuación de Bernoulli. Es decir, existirá una fuerza neta de succión sobre las paredes del canal en la zona del estrechamiento.

Imaginemos, ahora, un perfil aerodinámico simétrico dando a ángulo de ataque nulo , ocurrirá un fenómeno pareado sí suponernos que la línea de simetría del perfil hace las veces de la pared del canal. Sí aumentarnos el ángulo de ataque del perfil crearemos una asimetría, dándole mayor peso de succión a la cara superior del perfil (extradós) y menor a la cara inferior del perfil (intradós). En este caso el borde afilado de salida del perfil juega un papel fundamental, corno se verá mas adelante, y la fuerza neta de presión resulta ser fundamentalmente perpendicular a la corriente incidente y de ahora en adelante la llamaremos sustentación aerodinámica. Igual efecto podernos obtener si a ángulo de ataque nulo, el perfil no es simétrico, siendo la curvatura de la línea media la responsable de la asimetría.

En la Figura podemos ver la secuencia simplificada del proceso de generación de sustentación. El primer perfil corresponde a la solución ideal sin viscosidad en la que la resultante de las fuerzas de presión sobre el perfil resulta ser nula (paradoja de D’Alambert). Sin embargo, la viscosidad es la responsable de que se desprenda un torbellino del borde de salida con vorticidad negativa. La conservación de la vorticidad implica que se genere vorticidad positiva entorno al perfil. Hasta el momento la teoría potencial no indica cual puede ser el valor de esta vorticidad, entrando en juego la Hipótesis de Kutta que, en su versión mas simplificada, enuncia que debe existir una línea de corriente que arranque del borde de salida del perfil, tal y como se esquematiza en el último dibujo de la Figura. En otras palabras, el borde afilado del perfil es el responsable de que se genere una fuerza sustentadora.

Como consecuencia de lo anterior podemos destacar que la existencia de sustentación va asociada a que la circulación (medida de la vorticidad) alrededor del perfil no sea nula.

3.1. PERDIDA DE SUSTENTACIÓN

Pérdida de sustentación en un ala de aviónAhora bien, ¿qué es lo que ocurre cuando un avión se inclina demasiado hacia atrás en un intento de subir más rápidamente? La sustentación del ala va de hecho a aumentar, pero en el dibujo puede verse que, de repente, el flujo de aire de la superficie superior deja de estar en contacto con la superficie del ala. En su lugar, el aire gira alrededor de un vórtice irregular (condición que también se conoce como turbulencias). Bruscamente, la sustentación derivada de la baja presión en la superficie superior del ala desaparece. Este fenómeno es conocido como pérdida de sustentación.

Un avión perderá la sustentación si la forma del ala va disminuyendo demasiado rápidamente conforme el aire se mueve a lo largo de su dirección general de movimiento (por supuesto, no va a ser el ala propiamente dicha la que cambie su forma, sino el ángulo que forma el ala con la dirección general de la corriente, también conocido como ángulo de ataque, que ha sido aumentado en el dibujo de arriba). Observe que la turbulencia es creada en la cara posterior del ala en relación con la corriente de aire.

La pérdida de sustentación puede ser provocada si la superficie del ala del avión (o la pala del rotor de un aerogenerador) no es completamente uniforme y lisa. Una mella en el ala o en la pala del rotor, o un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficiente para iniciar una turbulencia en la parte trasera, incluso si el ángulo de ataque es bastante pequeño. Obviamente, los diseñadores de aviones intentan evitar la pérdida de sustentación a toda costa, ya que un avión sin la sustentación de sus alas caerá como si fuera una piedra.