Cómo vuelan los aviones: la historia del “camino más largo” es falsa

En resumen: la historia que casi todos aprendimos dice que la parte de arriba del ala es más larga, así que el aire que pasa por encima debe ir más rápido para encontrarse con el de abajo en el borde de salida. La NASA la llama una de las explicaciones incorrectas de la sustentación más difundidas. Nada hace que los dos se encuentren: en un túnel de viento, el aire de arriba llega atrás mucho antes que el de abajo, y las alas planas de un avión de papel y los aviones boca abajo también sustentan. Lo que pasa de verdad: la forma y la inclinación del ala desvían el aire hacia abajo, y el aire empuja el ala hacia arriba. Visto como presión, es más baja encima del ala y más alta debajo: la misma sustentación descrita de dos maneras, así que Bernoulli y Newton tienen razón los dos.

La historia que casi todos aprendimos

Centro de Investigación Glenn de la NASA: "The theory described on this slide is one of the most widely circulated, incorrect explanations. The theory can be labeled the “Longer Path” theory, or the “Equal Transit Time” theory." (la teoría descrita en esta diapositiva es una de las explicaciones incorrectas más difundidas. Se la puede llamar teoría del "camino más largo" o del "tiempo de tránsito igual").

Lo que dice: "The air molecules (the little colored balls on the figure) have farther to travel over the top of the airfoil than along the bottom. In order to meet up at the trailing edge, the molecules going over the top of the wing must travel faster than the molecules moving under the wing." (las moléculas de aire, las bolitas de colores de la figura, tienen que recorrer más distancia por encima del perfil que por debajo. Para encontrarse en el borde de salida, las moléculas que pasan por encima del ala deben ir más rápido que las que pasan por debajo).

Y está en todas partes. El profesor Holger Babinsky, de la Universidad de Cambridge: "You find it taught in textbooks, explained on television and even described in aircraft manuals for pilots." (la encuentras enseñada en los libros de texto, explicada en televisión e incluso descrita en manuales de aviones para pilotos).

Nada hace que se encuentren

NASA Glenn: "This part of the theory attempts to provide us with a value for the velocity over the top of the airfoil based on the non-physical assumption that the molecules meet at the aft end." (esta parte de la teoría intenta darnos un valor para la velocidad por encima del perfil a partir de la suposición, sin base física, de que las moléculas se encuentran en el extremo posterior). Y: "Two molecules near each other at the leading edge will not end up next to each other at the trailing edge" (dos moléculas cercanas en el borde de ataque no terminarán una junto a otra en el borde de salida).

En un túnel de viento, el aire de arriba llega antes

La Universidad de Cambridge, en 2012: "Babinsky filmed pulses of smoke flowing around an aerofoil … When the video is paused, it’s clear that the transit times above and below the wing are not equal: the air moves faster over the top surface and has already gone past the end of the wing by the time the flow below the aerofoil reaches the end of the lower surface." (Babinsky filmó pulsos de humo fluyendo alrededor de un perfil alar… Al pausar el vídeo, queda claro que los tiempos de tránsito por encima y por debajo del ala no son iguales: el aire se mueve más rápido sobre la superficie superior y ya ha pasado el final del ala cuando el flujo de debajo del perfil llega al final de la superficie inferior).

NASA Glenn dice lo mismo: "particles moving over the top arrive at the trailing edge before particles moving under the airfoil." (las partículas que pasan por encima llegan al borde de salida antes que las que pasan por debajo del perfil).

Las alas planas y los aviones boca abajo también sustentan

NASA Glenn: "Think of a paper airplane. Its airfoil is a flat plate –> top and bottom exactly the same length and shape and yet they fly just fine." (piensa en un avión de papel. Su perfil es una placa plana, con la parte de arriba y la de abajo exactamente de la misma longitud y forma, y aun así vuelan perfectamente).

Y: "This theory also does not explain how airplanes can fly upside-down which happens often at air shows and in air-to-air combat. The longer surface is then on the bottom!" (esta teoría tampoco explica cómo los aviones pueden volar boca abajo, algo frecuente en exhibiciones aéreas y en el combate aire-aire. ¡Entonces la superficie más larga queda abajo!).

Lo que pasa de verdad: el ala desvía el aire

NASA Glenn, "What is Lift?": "Lift occurs when a moving flow of gas is turned by a solid object. The flow is turned in one direction, and the lift is generated in the opposite direction, according to Newton’s Third Law of action and reaction." (la sustentación se produce cuando un objeto sólido desvía un flujo de gas en movimiento. El flujo se desvía en una dirección y la sustentación se genera en la dirección opuesta, según la tercera ley de Newton de acción y reacción). Y: "For an aircraft wing, both the upper and lower surfaces contribute to the flow turning." (en el ala de un avión, tanto la superficie superior como la inferior contribuyen a desviar el flujo).

Lo que desvía el flujo es la forma del ala y su inclinación. NASA Glenn: "The magnitude of the lift generated by the wing depends on the shape of the wing and how it moves through the air." (la magnitud de la sustentación que genera el ala depende de su forma y de cómo se mueve a través del aire). Y: "The angle between the chord line of the airfoil and the flight direction is called the angle of attack. Angle of attack has a large effect on the lift generated by a wing." (el ángulo entre la cuerda del perfil y la dirección de vuelo se llama ángulo de ataque. El ángulo de ataque influye mucho en la sustentación que genera un ala).

Babinsky: "What actually causes lift is introducing a shape into the airflow, which curves the streamlines" (lo que realmente causa la sustentación es introducir una forma en la corriente de aire, que curva las líneas de corriente).

Visto como presión, la misma sustentación

Babinsky describe el resultado como "lower pressure on the upper surface and higher pressure on the lower surface" (menor presión en la superficie superior y mayor presión en la inferior).

El mito acierta en que el aire de arriba va más rápido; solo se equivoca con la velocidad. NASA Glenn: "Experiment #1 shows us that the flow over the top of a lifting airfoil does travel faster than the flow beneath the airfoil. But the flow is much faster than the speed required to have the molecules meet up at the trailing edge." (el experimento n.º 1 nos muestra que el flujo por encima de un perfil que sustenta sí va más rápido que el de debajo. Pero va mucho más rápido de lo necesario para que las moléculas se encuentren en el borde de salida). Y: "The upper flow is faster and from Bernoulli’s equation the pressure is lower. … this part of the theory is correct." (el flujo de arriba es más rápido y, por la ecuación de Bernoulli, la presión es menor. … esta parte de la teoría es correcta).

Bernoulli y Newton tienen razón los dos

NASA Glenn, "Bernoulli and Newton": "From Newton’s third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object. So both “Bernoulli” and “Newton” are correct." (por la tercera ley del movimiento de Newton, desviar el flujo provoca una reacción, una fuerza aerodinámica, sobre el objeto. Así que tanto "Bernoulli" como "Newton" son correctos).

Y: "Newton’s laws of motion are statements concerning the conservation of momentum. Bernoulli’s equation is derived by considering conservation of energy. So both of these equations are satisfied in the generation of lift; both are correct." (las leyes del movimiento de Newton tratan de la conservación de la cantidad de movimiento. La ecuación de Bernoulli se deduce de la conservación de la energía. Así que las dos ecuaciones se cumplen cuando se genera sustentación; las dos son correctas).

Conclusión

1. La historia del camino más largo es falsa: nada hace que el aire de arriba y el de abajo del ala vuelvan a encontrarse, y el de arriba llega antes.
2. La sustentación viene de desviar el aire: la forma y la inclinación doblan el flujo hacia abajo, y el aire empuja el ala hacia arriba.
3. Presión más baja arriba y más alta abajo es la misma sustentación vista de otra manera: Bernoulli y Newton tienen razón los dos. Por eso también vuelan las alas planas y los aviones boca abajo.

Fuentes

• NASA Glenn Research Center, Beginner's Guide to Aeronautics, Equal Transit Theory Interactive (teoría incorrecta de la sustentación)
• NASA Glenn Research Center, What is Lift?
• NASA Glenn Research Center, Bernoulli and Newton
• NASA Glenn Research Center, Effects of Inclination on Lift Interactive
• University of Cambridge, How wings really work (prof. Holger Babinsky, Departamento de Ingeniería), 25 ene 2012

El vídeo está animado con código y el guion se escribió con ayuda de IA; cada cita de arriba está contrastada con su fuente. Ilustrativo: el flujo de aire (las líneas, el pulso de humo, el sombreado de presión y las flechas) se calcula con un modelo de flujo ideal de libro de texto, no se mide, así que muestra el patrón, no las cifras de un ala real; el pulso de humo es nuestro dibujo de lo que muestra el humo del túnel de viento de Babinsky, no su grabación; los aviones son dibujos genéricos. El vídeo está narrado en inglés. Hecho con Shotloop, mi app gratis para Mac de explicativos hechos con código, corregidos plano a plano.