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¿Por qué vuelan los aviones y por qué tan alto? / Por Manuel Peinado

¿Por qué vuelan los aviones y por qué tan alto? / Por Manuel Peinado

Para darle vueltas al magín nada como un viaje de veintisiete horas en avión, que es, grosso modo, lo que tardé en regresar desde Nueva Zelanda. Allí arriba, en los cómodos asientos de Qatar Airways, me pregunté cómo nos las apañábamos para volar tan ricamente sin caer a plomo, como “es de sentido común” que diría M. Rajoy. Estas son las respuestas.

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Los aviones vuelan porque no hay ninguna fuerza resultante. Y cuando un cuerpo no está sometido a ninguna fuerza, continuará parado o a velocidad constante. Ya lo enunció Isaac Newton en su primera ley. Pero eso no significa que no haya ninguna fuerza actuando sobre el avión. El avión tiene un peso, los pasajeros y sus equipajes otro, y todas las moléculas del aire empujadas por los motores o que chocan contra el fuselaje generan una fuerza. Lo que ocurre es que los ingenieros se las han apañado para que algunos de esos choques sean utilizados para contrarrestar el peso y la resistencia del aire.

Para resumir, se puede decir que los aviones vuelan basándose fundamentalmente en dos teorías que aprendimos en el bachillerato, aunque entonces no supiéramos muy bien para qué demonios servían: por un lado, en el efecto Venturi, y por otro, aún más importante, en la tercera ley de Newton, también conocida como “ley de acción y reacción”.

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Empecemos por las fuerzas con dirección vertical. La que tira hacia abajo es la fuerza de la gravedad y la que apunta hacia arriba es el empuje. Pero, ¿de dónde sale esta última? Aunque sale de todo el fuselaje, es decir, de todo el cuerpo del avión (Figura 1), la mayor parte surge de las alas y, en ambos casos, tal cosa sucede gracias al efecto Venturi (Figura 2).

El efecto Venturi consiste en que cuando un fluido aumenta su velocidad, disminuye su presión. Para aprovecharlo, las alas de los aviones están diseñadas de tal forma que su parte superior es más curva que la parte inferior, lo que hace que la distancia a recorrer por el aire sea mayor en la zona superior y, por tanto, que se vea obligado a aumentar su velocidad. Debido al efecto Venturi, eso consigue que la presión disminuya por encima del ala (a mayor velocidad, menor presión). En definitiva, se consigue que la parte inferior del ala tenga una mayor presión que la parte superior, y esto ejerce un empuje hacia arriba que ayuda al avión a mantenerse en el aire.

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Sin embargo, la fuerza ejercida por el efecto Venturi no es suficiente por sí misma para que el avión se sustente en el aire, y es aquí donde entra en juego la citada tercera ley de Newton, que establece que, ante una determinada fuerza o acción producida sobre un objeto, éste genera a su vez una reacción de igual intensidad, pero en sentido contrario (pruebe a darle un cabezazo a una pared y sabrá de qué estamos hablando).

¿Y cómo se emplea esta teoría en los aviones? Pues de nuevo gracias a la forma y la posición de las alas, que se diseñan para que el aire que pase por ellas sea propulsado hacia abajo, generando así el aire una fuerza de acción en sentido descendente que, debido a la citada ley de Newton, da lugar a una fuerza de reacción sobre el ala en sentido ascendente. Por supuesto, a mayor rapidez se consigue una mayor fuerza, y por ello los aviones necesitan alcanzar una altísima velocidad primero para despegar y posteriormente para mantenerse en el aire.

Una forma sencilla de comprobar lo que estoy diciendo es sacar una mano por la ventanilla del coche. Si en vez de poner la mano de perfil, la inclinamos un poco enfrentándola al viento, estaremos desplazando el aire hacia abajo y notaremos una fuerza ascendente que tiende a levantar no ya la mano, sino todo el brazo.

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La tercera ley de Newton se ve además ayudada por el denominado efecto Coanda, un fenómeno físico gracias al cual un fluido tiende a adherirse y a seguir la trayectoria de un objeto con el que incide. En el caso de los aviones, el aire (fluido) tiende a adherirse al ala del avión (objeto con el que incide) y a seguir la trayectoria de esta (es decir, seguir un sentido descendente). Podéis ver un ejemplo práctico en la cuchara de la fotografía o, aún mejor, en este vídeo.

¿Y cómo se genera con el cuerpo del avión? Se consigue porque las moléculas del aire lo empujan hacia arriba. Gracias a su forma, en movimiento hay más moléculas que chocan en la parte de abajo que arriba, (de la misma forma que cuando se corre bajo la lluvia hay menos gotas golpeando la espalda) y las que chocan arriba chocan con mucha menos velocidad que las que colisionan abajo, lo que genera una diferencia de presión que es la que levanta el avión (Figura 1).

Ahora bien, en el eje horizontal tenemos una fuerza que empuja al avión hacia atrás. Esa fuerza son las moléculas de aire que chocan contra el aparato. De contrarrestarlas se encargan los motores, que lo que hacen es propulsar moléculas de aire hacia atrás, Y lo hacen girando rápidamente con las aspas. Grandes y escasas en los aeroplanos de hélice, y muchas y pequeñas en los aviones de turbina.

Pues ya sabemos más o menos por qué vuela un avión, pero ¿por qué lo hace tan alto? La mayoría de los aviones comerciales navegan a una altitud de casi 35.000 pies, unos 10,6 kilómetros. Si lo piensa, esa es mucha altura. ¿Por qué no volar a solo un par de kilómetros sobre tierra, una altitud más que suficiente para que el avión no tenga problemas con estructuras tales como torres o rascacielos? Si se trata de evitar las montañas, aunque todas las del mundo tuvieran la altura del Everest (8,8 kilómetros), ¿para qué tomarse casi 2.000 metros más de margen de seguridad?

Bueno, antes que nada, la altura a la que vuelan la mayoría de los aviones no es una elección arbitraria. Hay muy buenas razones para ello. Las que siguen son las principales.

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Una de las principales razones por las cuales los aviones comerciales vuelan tan alto es la resistencia del aire. Cuanto más alto se va por encima del suelo, más delgada se vuelve la atmósfera y, por lo tanto, menos resistencia hay al vuelo del avión. Los aviones vuelan a esa altura desde que se inventaron los motores jet (los aviones ya no usan los motores jet originales, ahora usan turbofans). Estos motores, al parecerse más a los sistemas de reacción de los cohetes, tienen un mayor impulso específico a medida que hay menos aire. Aun así, necesitan del oxígeno atmosférico para poder mantener la combustión.

En cualquier caso, cuantas más moléculas de aire deba despejar el avión a su paso, más energía necesitará, más combustible consumirá y, en consecuencia, los costes operativos serán más altos. Debido a la menor resistencia a mayores altitudes, los aviones comerciales vuelan con un gasto de combustible mínimo. Por eso, los 35.000 pies se conocen como la “altitud de crucero”, en la que se logra un equilibrio entre los costes de operación y la eficiencia del combustible.

Otra razón importante es que, a la altitud de crucero, la atmósfera es más estable y no suelen tener que preocuparse por las nubes y otros fenómenos meteorológicos como, por ejemplo, las tormentas eléctricas. Los aviones pueden navegar sin mayores problemas entre nubes y tormentas, pero cuando lo hacen son inevitables las turbulencias, lo que, además de ser incómodo para los pasajeros, podría sembrar el pánico en la cabina.

Despejar obstáculos es una tercera y obvia razón. Uno, si está pilotando un avión en la consola o en el ordenador, puede volar bajo, hacer cabriolas, meterse entre los edificios, atravesar desfiladeros y otras muchas cosas más. Pero la realidad no es esa. Si hacerlo es demasiado peligroso incluso para un pequeño avión de exhibición o de combate, para una gran nave comercial es prácticamente imposible. Con un pequeño vehículo, incluso yo podría hacer maniobras imposibles para un autobús urbano.

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Además, como todo el mundo sabe, el terreno no es la palma de la mano, sino que, por encima del nivel del mar, hay multitud de relieves, por lo que el avión sube a una altitud suficiente como para mantenerse alejado de todo tipo de relieves terrestres. Y si hay que evitar formas de relieve, volar a 35.000 pies también asegura que el avión esté muy por encima del vuelo de la mayoría de las aves. Eso es crucial, ya que los impactos de las aves pueden ser mucho más que un simple contratiempo o molestia.

Ha habido muchos casos de incidentes por impactos de aves, pero el que recibió más atención fue el caso del vuelo 1549 de US Airways. El 15 de enero de 2009, un avión (Airbus 320) realizó un milagroso aterrizaje sin motor en el río Hudson después de ser golpeado por una bandada de pájaros poco después de despegar del aeropuerto LaGuardia en la ciudad de Nueva York. Increíblemente, no hubo una sola víctima. Por eso, el accidentado y feliz aterrizaje –llevado al cine en la película Sully, dirigida por Clint Eastwood y protagonizada por Tom Hanks- se conoce como el “milagro en el Hudson”.

Suponga que está pilotando un avión comercial a solo un kilómetro del suelo y que algo sale mal. El avión comienza a caer en picado. Usted sabe que puede solucionar el problema que hace que el avión descienda rápidamente, pero está cayendo demasiado rápido y simplemente no tiene tiempo suficiente para solucionar el problema. En ese momento, pensaría: “Si tuviera más tiempo …”. Esa es otra razón por la que los aviones comerciales vuelan a una altitud de alrededor de 11 km, una altitud que actúa como “colchón de seguridad” y concede a los pilotos un tiempo para arreglar las cosas si algo sale mal.

© Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

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