¿Cómo vuelan los aviones?

Un avión comercial totalmente cargado puede pesar cientos de toneladas y, sin embargo, asciende al cielo como si el peso fuera opcional. No es de extrañar que el vuelo pueda parecer magia. En realidad, todo se reduce a una física que se puede comprender sin una sola ecuación: un cuidadoso acto de equilibrio entre cuatro fuerzas que actúan sobre la aeronave en todo momento.

Aquí explicamos cómo vuelan los aviones en términos sencillos.

Las cuatro fuerzas del vuelo

Cada aeronave en el cielo está sujeta a cuatro fuerzas, dispuestas en dos pares opuestos:

• Sustentación (Lift) — la fuerza ascendente que mantiene al avión en el aire.
• Peso (Weight) — la atracción hacia abajo de la gravedad sobre la aeronave y todo lo que hay en ella.
• Empuje (Thrust) — la fuerza hacia adelante producida por los motores.
• Resistencia (Drag) — la resistencia hacia atrás del aire a medida que el avión se desplaza a través de él.

El vuelo es la gestión de estas cuatro. Cuando la sustentación iguala al peso y el empuje iguala a la resistencia, el avión vuela de forma constante. Si se inclina el equilibrio hacia un lado u otro, el avión asciende, desciende, acelera o frena. Todo lo que hace un piloto es, en esencia, ajustar este equilibrio.

Piénselo como un juego de tirar de la cuerda con dos cuerdas a la vez: hacia arriba contra hacia abajo, y hacia adelante contra hacia atrás. Gane o pierda cualquiera de los dos concursos, la aeronave responderá en consecuencia.

Sustentación: la fuerza que lo mantiene en el aire

La sustentación es el corazón del rompecabezas y lo más incomprendido. La sustentación se genera principalmente porque el ala empuja el aire hacia abajo, y el aire empuja el ala hacia arriba con una fuerza igual.

Esta es la tercera ley de Newton en acción: para cada acción hay una reacción igual y opuesta. A medida que el ala se desplaza por el aire, dos características hacen que desvíe el aire hacia abajo:

• El ángulo de ataque. El ala se encuentra con el aire que viene con una ligera inclinación hacia arriba, por lo que desvía el flujo de aire hacia abajo, como cuando se pone la mano en ángulo fuera de la ventana de un coche en movimiento.
• La forma del ala (perfil alar). Las alas suelen ser curvas por arriba y más planas por debajo, lo que ayuda a guiar el aire suavemente hacia abajo por el borde de salida.

Empuje una gran masa de aire hacia abajo cada segundo y la reacción será una fuerza ascendente constante: la sustentación. Cuanto más rápido se mueva el ala y más grande sea, más aire podrá desviar y más sustentación producirá, que es precisamente por lo que los aviones deben alcanzar una velocidad alta antes de poder despegar del suelo. La relación entre masa, movimiento y fuerza aquí es la misma física que explica la gravedad y el peso en primer lugar.

Peso: la fuerza a vencer

El peso es simplemente la gravedad actuando sobre la masa de la aeronave —la estructura, el combustible, la carga, la tripulación y los pasajeros— tirando de todo hacia la Tierra.

El peso es la fuerza que la sustentación debe vencer para despegar y igualar para mantenerse nivelado. No es constante durante un vuelo: a medida que se consume el combustible, la aeronave se vuelve gradualmente más ligera, lo que cambia sutilmente cuánta sustentación y, por tanto, cuánta velocidad necesita. Gestionar el peso y cómo se distribuye, o se equilibra, en la aeronave es una parte fundamental del vuelo seguro, supervisada en el Reino Unido por organismos como la Autoridad de Aviación Civil (CAA).

Empuje: la fuerza que lo impulsa hacia adelante

He aquí por qué las alas por sí solas no bastan. La sustentación depende de un flujo de aire rápido sobre las alas, y eso significa que el avión debe seguir moviéndose hacia adelante. El empuje es la fuerza hacia adelante, producida por los motores, que vence la resistencia y mantiene la aeronave en movimiento.

Los motores generan empuje al expulsar una gran cantidad de aire (y gases de escape) hacia atrás; una vez más, la tercera ley de Newton significa que la aeronave es empujada hacia adelante como reacción. Ya sea mediante motores de reacción o hélices, el principio es el mismo: empuja el aire en una dirección y el avión es empujado en la otra. Sin empuje, el flujo de aire sobre las alas se ralentizaría, la sustentación disminuiría y la aeronave ya no podría mantenerse en el aire.

Resistencia: la fuerza que lo retiene

La resistencia es la resistencia del aire: la fuerza hacia atrás que la atmósfera ejerce sobre un avión que la atraviesa. Cualquiera que haya sacado la mano por la ventana de un coche en movimiento lo ha sentido.

La resistencia proviene principalmente de dos fuentes:

• La fricción entre el aire y las superficies de la aeronave.
• La perturbación que crea la aeronave al apartar el aire, incluida la resistencia que es un subproducto inevitable de la generación de sustentación.

Debido a que la resistencia aumenta bruscamente con la velocidad, gran parte del diseño de las aeronaves consiste en minimizarla —formas suaves, superficies limpias y una ingeniería cuidadosa— para que se necesite menos empuje y, por tanto, menos combustible. Reducir la resistencia es uno de los mayores palancas para recortar el uso de combustible, lo que se vincula directamente con la huella de carbono de la aviación y el impulso general hacia viajes más ecológicos.

Uniendo las piezas: cómo cambia el equilibrio

En un vuelo nivelado y constante, las fuerzas están en equilibrio:

Los pilotos cambian este equilibrio deliberadamente para maniobrar:

• Para ascender, aumentan la sustentación y el empuje para que las fuerzas ascendente y hacia adelante ganen.
• Para descender, los reducen para que el peso y la resistencia tomen el control suavemente.
• Para girar, inclinan (alabeo) las alas para que parte de la sustentación tire de la aeronave hacia un lado.
• Para frenar para el aterrizaje, extienden los flaps para aumentar la sustentación a baja velocidad y utilizan spoilers y frenos para añadir resistencia.

Estos ajustes se realizan mediante superficies móviles en las alas y la cola, que cambian la forma en que se desvía el aire. Es el mismo y elegante principio de fuerzas equilibradas, aplicado momento a momento: una impecable demostración en el mundo real de la física detrás del Big Bang y el resto del universo, donde las fuerzas en equilibrio dan forma a todo, desde los átomos hasta las galaxias.

Conclusión

Los aviones vuelan equilibrando cuatro fuerzas: la sustentación los mantiene en el aire, el peso los tira hacia abajo, el empuje los impulsa hacia adelante y la resistencia los retiene. La sustentación proviene de las alas que desvían el aire hacia abajo y son empujadas hacia arriba a cambio, pero solo mientras el empuje mantiene a la aeronave moviéndose lo suficientemente rápido a través del aire.

No hay magia en ello, solo física cuidadosamente equilibrada. El vuelo constante es sustentación igual al peso y empuje igual a la resistencia, y cada ascenso, giro y aterrizaje es simplemente un cambio deliberado en ese equilibrio.