¿Porqué vuela un avión?

Un ala tiene un perfil alar con cierta curvatura en su extrados e intrados, esta curvatura es lo que nos generara la sustentación, normalmente 2/3 de la sustentación se genera en el extrados, y 1/3 en el intrados.

Tomemos un flujo de aire con dos partículas paralelas a la misma velocidad justo antes de pasar por el perfil, bien estas partículas una vez llegan al perfil recorren caminos diferentes, una ira por el extrados y otra por el intrados. Si nos damos cuenta este perfil por debajo es recto, y por arriba curvo, la partícula que pasa por el extrados tiene que recorrer mas camino(esta curvado) y como hemos dicho antes las partículas van paralelas siempre, por lo tanto para poder ir paralelas, la partícula del extrados tiene que acelerarse, al aumentar la velocidad disminuirá la presión (Bernoulli) por lo tanto tendremos una fuerza vertical, que sera la que nos genere la sustentación.
Por lo general la zona de máxima sustentación se corresponde con 1/4 de la cuerda total del perfil, que es donde la presión es mínima y la velocidad máxima.

Existen distintos tipos de perfil, que según nuestras necesidades usaremos uno u otro, simétrico aquel cuya curvatura del intrados corresponde a la del extrados (usado principalmente en aeromodelismo); asimétrico, cuando la curvatura de dichas partes es distinta. Con este se intenta generar sustentación con ángulo de ataque nulo.
Ejemplo de un perfil asimétrico. 

Cuanto menor espesor tenga, menor resistencia tendremos, claro esta, todo con un limite, no podemos hacer un perfil superfino ya que tenemos unos limites definidos por la construcción y materiales empleados, si es muy fino pesara mucho más.

También tenemos el angulo de ataque, cuanto mas angulo de ataque, mas sustentación, pero ¿que pasa si le damos demasiado? entra en perdida.

Entrar en perdida significa que la corriente de aire que pasa por el extrados se despega del perfil sin terminar de recorrerlo perdiendo así sustentación. Esta capa de aire despegada sera turbulenta, y no obtenemos ningún beneficio con ella, acordaos en la F1 cuando un coche va detras de otro, que dicen que tiene aire sucio, ese aire es turbulento.

Aquí podemos observar como varia la sustentación con el angulo de ataque, si os fijáis en la gráfica justo después del pico de máxima sustentación tenemos una caída brusca, significa que hemos entrado en perdida por aumentar mucho el ángulo de ataque.

Esta curva corresponde a un perfil NACA 0012, ya de paso os enseño a leer un perfil, los NACA que son de los mas sencillos.

1ª cifra: expresa la ordenada máxima (Y) de la línea de curvatura, expresada en % de la cuerda, y medida a partir del borde de ataque.
2ª cifra: multiplicada por 10 expresa la posición (X) de dicha ordenada máxima en % de la cuerda
3ª y 4ª cifras: espesor máximo del perfil en % de la cuerda.

Como el perfil NACA 0012 es un perfil simétrico, no tiene línea de curvatura media, pues correspondería

con la línea de cuerda. Todos los perfiles NACA que empiezan por 00XX significa que son simétricos.



En un NACA 4412, el espesor  máximo estaría en el 40% de la cuerda), y los 2 últimos números es el espesor del perfil, la relación cuerda/espesor es del 12%


Y ¿como aplicamos todo esto a una ala?

Pues bien ahora todas estas fuerzas y efectos las metemos en un ala de envergadura finita (longitud del ala), perfecto volamos pero en el ala ocurren mas cosas, como por ejemplo los torbellinos en las puntas alares.




Estos torbellinos son creados por el avance del ala mas la diferencia de presiones en el extrados/intrados de cada parte del ala con respecto a su anterior, entendiendo dichas partes infinitesimales. Un fluido siempre tiende a ir de la zona de mas presión a menos presión.
A estos torbellinos se les llama resistencia inducida.


Estos torbellinos nos frenan, así que no nos interesan, ¿como los eliminamos? Poniendo unas placas verticales en las puntas (Winglets) de las alas para evitar que pasen del intradós al extradós y reducir en gran medida esta resistencia.

En un ala la distribución de la fuerza de sustentación es elíptica, Otorgando más sustentación por el centro que por la punta. Para evitar esta diferencia existen los llamados perfiles elípticos  pero debido a su alto coste de construcción no suelen ser utilizados. 

Para el calculo de cuanta sustentación genera una ala podemos usar esta formula:

L= 1/2 * p * V² * S * Cl

L= lift (sustentación)
Cl= coef. sustentación
V= velocidad
S= Superficie alar
p=densidad