Sustentación para niños
La sustentación es una fuerza muy importante en el mundo de la física y la ingeniería. Se genera cuando un objeto se mueve a través de un fluido, como el aire o el agua. Esta fuerza actúa de forma perpendicular a la dirección en que se mueve el fluido. El ejemplo más conocido es el de las alas de las aves o de los aviones, que usan una forma especial llamada perfil alar para crearla.
La sustentación es diferente de la resistencia, que es otra fuerza que actúa en la misma dirección del flujo, pero en sentido contrario. Generalmente, la sustentación empuja hacia arriba para oponerse a la gravedad, pero puede actuar en cualquier dirección que sea perpendicular al movimiento del fluido.
Si el fluido es aire, la fuerza se llama fuerza aerodinámica. Si es agua u otro líquido, se llama fuerza hidrodinámica.
La sustentación dinámica, que es la que se genera con el movimiento, es distinta de la sustentación aerostática o flotabilidad. Esta última no necesita movimiento y se usa en globos, dirigibles, barcos y submarinos, donde un fluido más ligero dentro del objeto lo hace flotar.
Para calcular la sustentación, los científicos e ingenieros usan una fórmula que incluye un número especial llamado "coeficiente de sustentación". Este número ayuda a saber qué tan bien una forma puede generar sustentación.
El modelo matemático de la fuerza de sustentación es: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): L = \frac {1} {2} \rho V^2 A C_L Donde:
es la Fuerza de sustentación (se mide en Newtons, N).
es la Densidad del fluido (cuánto pesa el fluido por cada metro cúbico, kg/m3).
es la Velocidad del objeto (qué tan rápido se mueve, m/s).
es el Área de referencia del cuerpo, como la superficie alar (m2).
es el Coeficiente de sustentación, que se encuentra con experimentos.
Contenido
¿Cómo se produce la sustentación?
Cuando un fluido (como el aire) se mueve alrededor de un objeto, ejerce una fuerza sobre él. No importa si el objeto se mueve a través del fluido o si el fluido se mueve alrededor del objeto. La sustentación es la parte de esa fuerza que es perpendicular a la dirección del flujo. Siempre va acompañada de la resistencia, que es la parte de la fuerza paralela al flujo.
La sustentación es muy importante para las alas de los aviones, pero también la generan otras formas como las hélices, los cometas, los rotores de helicópteros, los alerones de coches de carreras, las velas de los barcos y las turbinas eólicas. También es usada por animales que vuelan o planean, como aves, murciélagos e insectos.
Aunque normalmente pensamos que la sustentación solo empuja hacia arriba, puede actuar en cualquier dirección perpendicular al flujo. Por ejemplo, en un avión que vuela recto, la sustentación se opone a la gravedad. Pero si el avión está girando o haciendo acrobacias, la sustentación puede inclinarse. En un coche de carreras, los alerones pueden generar una fuerza hacia abajo (llamada downforce) para mejorar el agarre.
Explicaciones sencillas de la sustentación
Un perfil aerodinámico es una forma especial, como la de un ala, diseñada para generar mucha más sustentación que resistencia. Una tabla plana también puede generar sustentación, pero no tan eficientemente.
Hay dos formas principales de explicar la sustentación de manera sencilla, basadas en las leyes del movimiento de Newton o en el principio de Bernoulli.
La sustentación y las leyes de Newton
Un perfil aerodinámico genera sustentación al empujar el aire hacia abajo a su paso. Según la tercera ley de Newton, si el ala empuja el aire hacia abajo, el aire debe empujar el ala hacia arriba con la misma fuerza. Esa fuerza hacia arriba es la sustentación.
Cuando el aire se acerca al ala, se curva hacia arriba y luego, al pasar por encima y por debajo, se desvía hacia abajo. Este cambio en la dirección del aire requiere una fuerza hacia abajo que el ala aplica al aire. Por la tercera ley de Newton, el aire aplica una fuerza igual y opuesta (hacia arriba) al ala, creando la sustentación.
Esta explicación es correcta, pero no es completa. No explica cómo el ala logra desviar una gran cantidad de aire hacia abajo, ni cómo se crean las diferencias de presión que son clave para la sustentación.
La sustentación y el principio de Bernoulli
Algunas explicaciones usan el principio de Bernoulli, que dice que si la velocidad de un fluido aumenta, su presión disminuye.
Una explicación común, aunque a veces mal entendida, es que el aire que viaja por la parte superior curva del ala tiene que recorrer una distancia mayor que el aire que va por la parte inferior. Para que ambos lleguen al mismo tiempo al final del ala, el aire de arriba tendría que ir más rápido. Si va más rápido, según Bernoulli, su presión disminuye, creando una fuerza de succión hacia arriba.
Sin embargo, la idea de que el aire de arriba y el de abajo deben llegar al mismo tiempo es incorrecta. En realidad, el aire que pasa por la parte superior del ala se mueve mucho más rápido y llega antes al final del ala. La verdadera razón de la diferencia de velocidad es más compleja y está relacionada con las diferencias de presión.
Otra explicación basada en Bernoulli dice que la forma curva del ala "aprieta" las líneas de aire por encima, haciendo que el aire se acelere. Esta aceleración reduce la presión y crea sustentación. Pero esta explicación tampoco es completa, ya que no explica por qué se "aprietan" las líneas de aire ni cómo se mantienen esas diferencias de presión.
Es importante recordar que el principio de Bernoulli es correcto, y el aire sí se acelera sobre la parte superior del ala. Pero la relación entre la presión y la velocidad es una interacción mutua, no una causa-efecto simple.
Aspectos clave de la sustentación
La sustentación es el resultado de diferencias de presión y depende de varios factores:
Diferencias de presión
La sustentación se produce porque la presión del aire en la parte superior del ala es menor que la presión en la parte inferior. La presión siempre empuja hacia el objeto. Así, la presión de abajo empuja hacia arriba con más fuerza que la presión de arriba empuja hacia abajo, y el resultado es una fuerza neta hacia arriba: la sustentación.
Estas diferencias de presión están relacionadas con la forma en que el aire se curva alrededor del ala. Cuando un fluido sigue una trayectoria curva, la presión es mayor en el exterior de la curva y menor en el interior. Esto significa que las velocidades más altas y las curvas más cerradas crean mayores diferencias de presión.
Ángulo de ataque
El ángulo de ataque es el ángulo entre el ala y la dirección del aire que se aproxima. Si aumentas este ángulo, el ala desvía el aire con más fuerza hacia abajo, lo que genera más sustentación. Para ángulos pequeños, la sustentación aumenta casi directamente con el ángulo de ataque.
Sin embargo, hay un límite. Si el ángulo de ataque es demasiado grande (llamado ángulo de ataque crítico), el aire ya no puede seguir la superficie superior del ala y se separa. Esto se conoce como entrada en pérdida o stall. Cuando esto ocurre, la sustentación disminuye bruscamente, y el avión puede perder altura.
Forma del ala (perfil aerodinámico)
La forma del ala, especialmente su curvatura (llamada arqueamiento o peralte), es crucial. Las alas con más curvatura suelen generar más sustentación a una velocidad dada.
Las alas curvadas pueden generar sustentación incluso con un ángulo de ataque cero. Si un ala curvada vuela al revés, aún puede generar sustentación si se ajusta el ángulo de ataque, lo que explica cómo un avión puede volar boca abajo.
Velocidad y densidad del aire
La sustentación es mayor cuando el aire es más denso (por ejemplo, a menor altitud) y aumenta mucho con la velocidad. De hecho, si duplicas la velocidad, la sustentación se cuadruplica. La sustentación también depende del tamaño del ala; un ala más grande genera más sustentación.
Capa límite y resistencia
Aunque las alas parecen lisas, el aire que las toca se "pega" a la superficie debido a la viscosidad del aire. Esto crea una capa muy delgada de aire cerca de la superficie, llamada capa límite, donde la velocidad del aire es casi cero. Esta capa límite puede generar una pequeña resistencia por fricción.
En condiciones normales de vuelo, la capa límite se mantiene pegada al ala. Sin embargo, si el ángulo de ataque es demasiado alto, la capa límite puede separarse de la superficie superior del ala, causando la entrada en pérdida.
Sustentación en la aviación
La sustentación es la fuerza principal que permite que un aeronave con alas se mantenga en el aire. Para que un avión despegue, la sustentación debe ser mayor que el peso total de la aeronave.
En aviación, la sustentación se representa con la letra (del inglés lift), y el coeficiente de sustentación con . Los ingenieros siempre buscan que este coeficiente sea lo más alto posible.
Como ya vimos, la sustentación depende directamente del ángulo de ataque. Aumenta hasta un punto máximo (el ángulo de ataque crítico), después del cual el aire se separa de la parte superior del ala, causando la entrada en pérdida (stall). Para aumentar la sustentación a bajas velocidades (por ejemplo, durante el despegue o el aterrizaje), los aviones usan dispositivos especiales como los flaps y slats. Estos dispositivos cambian la forma del ala para aumentar su curvatura y, por lo tanto, la diferencia de presiones y la sustentación.
Sustentación en el automovilismo
En los coches de carreras, especialmente en la Fórmula 1, la sustentación se usa de una manera diferente. En lugar de buscar una fuerza hacia arriba, se busca una fuerza hacia abajo, llamada downforce o apoyo aerodinámico. Esto se logra con alerones y el diseño del fondo plano del vehículo.
El objetivo de esta fuerza hacia abajo es empujar el coche contra el suelo. Esto aumenta el agarre de los neumáticos y permite que el coche tome las curvas a velocidades mucho más altas sin derrapar. En los coches de calle normales, la sustentación no se tiene en cuenta de la misma manera, e incluso puede haber una pequeña fuerza de sustentación positiva.
Galería de imágenes
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Flujo alrededor de un perfil aerodinámico: los puntos se mueven con el flujo. Los puntos negros están en el mismo instante, que se dividen en dos -una parte superior y otra inferior- en el borde de ataque. Una marcada diferencia de velocidad entre las líneas de corriente superior e inferior se muestra más claramente en la animación de la imagen, con los marcadores superiores llegando al borde de salida mucho antes que los inferiores. Los colores de los puntos indican líneas de corriente.
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Campo de presiones alrededor de un perfil aerodinámico. Las líneas son isobaras o líneas de igual presión a lo largo de su longitud. Las flechas muestran el diferencial de presión de alta (rojo) a baja (azul) y, por tanto, también la fuerza neta que hace que el aire acelere en esa dirección.
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Comparación de un patrón de flujo no ascendente alrededor de un perfil aerodinámico; y un patrón de flujo ascendente consistente con la condición de Kutta en el que el flujo abandona el borde de salida suavemente.
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Componente de circulación del flujo alrededor de un perfil aerodinámico.
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Sección transversal de una combinación ala-cuerpo de avión que muestra las isobaras del flujo de sustentación tridimensional.
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Sección transversal de una combinación ala-cuerpo de avión que muestra los vectores de velocidad del flujo de sustentación tridimensional.
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Cálculo de Euler de un vórtice de punta enrollándose desde la hoja de vorticidad arrastrada.
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Vista en planta de un ala que muestra el sistema de vórtices en herradura.
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Corriente de aire separándose de un ala con un ángulo de ataque elevado.
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Véase también
En inglés: Lift (force) Facts for Kids
- Capa límite
- Resistencia aerodinámica
- Efecto suelo
- Efecto Venturi
- Vorticidad
