¿Por qué vuelan los aviones? No más falacias.

O para ser más precisos ¿cómo se genera la fuerza que los mantiene en el aire?

Resulta increíble pensar que en pleno siglo XXI, donde diariamente miles de vehículos aéreos, llámense ‘aviones’, en términos generales, realizan vuelos a lo largo y ancho del globo terrestre, ni la ciencia ni la ingeniería han sido capaces de describir a detalle cuál es el mecanismo físico que provoca la 'fuerza'* de sustentación o levantamiento, esa que les permite mantenerse despegados del terreno, venciendo a la fuerza de gravedad. Diversas hipótesis (y teorías más o menos 'sofisticadas') han sido planteadas desde que el primer aparato volador surcó los cielos, sin embargo, ninguna de éstas cumple todos los aspectos e incluso las más razonables, siguen siendo debatibles, ya que no ofrecen una solución general para todos los casos ni condiciones de vuelo.

Entre las hipótesis más difundidas o conocidas se encuentra aquella que explica que la 'fuerza' de sustentación es consecuencia de la diferencia de presiones que existe entre las caras inferior y superior de un ala, relacionada al ‘principio de Bernoulli’; coloquialmente se le ha llamado (quizá despectivamente) “la explicación para pilotos”, aunque es cierto que ni aún los ingenieros noveles podrían comprender el fenómeno de otra manera, simplemente porque es una forma muy intuitiva, aunque parcialmente errónea, de explicarlo. Otra hipótesis relaciona la generación de la sustentación como una fuerza de reacción (3ª Ley de Newton) a la deflexión (curva hacia abajo o “downwash”) del fluido circundante, sin embargo, dicho enfoque no es capaz de explicar por qué una placa plana, por ejemplo, tu tarjeta de crédito, produce sustentación cuando la sostienes contra el viento por la ventanilla del auto, es decir, sólo aplica para superficies curvas como las alas. Aunque hay que decir que dicho planteamiento simplifica sobremanera el efecto que los vórtices de punta de ala tienen en la sustentación, esos remolinos que los ingenieros tratan de reducir agregando un elemento estructural en la punta de las semi-alas de los aviones actuales, con la finalidad de reducir la 'fuerza' de resistencia al avance (o de arrastre) y economizar en combustible (ver Fig. 1). 

                   

Fig. 1 Winglet para reducir la intensidad del vórtice de punta de ala. Fuente: https://victortangoaviation.in...

Respecto a los vórtices (o torbellinos) de punta de ala, que no son más que macro-estructuras tridimensionales de fluido que se forman, según las explicaciones actuales, por la diferencia de presiones que existe entre las dos superficies de una semi-ala (ver Fig. 2), un nuevo desarrollo computacional [1] sugiere que éstos se forman a escala individual (micro) incluso en un flujo sin viscosidad, es decir, sin fricción entre sus partículas, lo cual no existe en la realidad, pero ayuda a comprender los fundamentos de la dinámica de fluidos; dichos micro-vórtices pueden reagruparse conforme interactúan y evolucionan en el tiempo para formar los macro-vórtices. Además, este nuevo desarrollo plantea que la vorticidad se forma no solamente a lo largo de los bordes externos, como las puntas de ala o el borde de salida (la parte afilada) de ésta, sino desde la totalidad de su superficie, incluso del fuselaje y de todos los elementos estructurales en contacto con el flujo. Lo anterior parece una obviedad, debido a que el flujo circundante, por definición, se considera como un medio continuo (no hay vacío), siendo que las partículas de flujo no cuentan con inteligencia, memoria selectiva o libre albedrío para elegir de qué regiones se desprenden y de cuales no. Sin embargo, la teoría en la que se basa este desarrollo (Teoría de Flujo Potencial; TFP) que data de mediados del siglo XVIII, no ha sido revisada desde su planteamiento, siendo aplicada efectivamente sólo para condiciones donde el flujo se considera completamente adherido a la superficie (vorticidad adherida; bajas 'inclinaciones' del ala respecto al viento), bajo una suposición viscosa forzada. A pesar de los resultados satisfactorios, tal suposición en sí misma resulta en una contradicción a la definición de "flujo ideal" que se ha pretendido describir a lo largo de todos estos años mediante la TFP, el cual es, entre otras cosas, no viscoso por definición, por tanto, ninguna fuerza de cohesión lo obliga a permanecer adherido a la superficie que lo genera. Por lo anterior, la viscosidad del fluido, que, si bien es cierto también contribuye a la generación de la 'fuerza' de sustentación (dentro de cierto rango de aplicación), debería ser tratada como un elemento externo a la TFP, y en todo caso, ser incluida por separado. 

                   

Fig. 2 Par de vórtices de punta de ala detrás de una aeronave en vuelo. Fuente: https://th.bing.com...

De acuerdo con los resultados más recientes, obtenidos mediante la implementación computacional del desarrollo anteriormente mencionado (ver sig. animación), se corrobora que, en efecto, la 'fuerza' de sustentación e incluso la de arrastre son obtenidas de manera precisa para configuraciones (formas geométricas) simples [2]**, lo cual da pie a un futuro desarrollo, no sólo en aerodinámica, sino dentro de la dinámica de fluidos computacional (CFD), específicamente en el campo de los métodos basados en vorticidad (vortex methods). Por lo anterior, parece que el actual desarrollo responde a una de las incógnitas fundamentales de la aerodinámica, la cual había estado velada hasta el momento, a pesar de que su solución siempre estuvo a la vista: la 'fuerza' de sustentación (y de arrastre) se genera debido al campo de velocidad generado por la vorticidad desprendida desde la totalidad de la superficie, no sólo desde los bordes externos. Lo único que hacía falta era volver a revisar las definiciones, dejando de lado toda suposición, creencia, sentimiento o prejuicio (y, con suerte, ¡referenciar un trabajo previo, a fin de evitar mayores suspicacias!); dudar de todo, no asumir nada: ¡ese el verdadero espíritu de la Ciencia!

*La sustentación y el arrastre no son fuerzas por sí mismas, sino componentes de una fuerza aerodinámica resultante.

**Desde este enfoque (velocidad-vorticidad) el campo de presión está desacoplado de la solución del flujo, por tanto ¡este es una consecuencia y no una causa de la generación de las 'fuerzas' aerodinámicas!    

Animación: Método híbrido de tubos de vórtice y vortones.

"Nadie construye algo a partir de la nada; "nuestras" ideas y conceptos del mundo no dejan de ser una combinación, a veces azarosa, de experiencias y conocimientos de alguien que nos ha precedido o influenciado."  CP

[1] Artículo de revista científica (en inglés): The Full Multi-wake Vortex Lattice Method: a detached flow model based on Potential Flow Theory | Advances in Aerodynamics | Full Text (springeropen.com)

[2] Artículo de revista científica (en inglés): (PDF) The Full non-linear Vortex Tube-Vorton Method: the pre-stall condition (researchgate.net)