Influencia de la Forma del Ala

Terminología del Ala

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  • Envergadura: distancia de punta a punta del ala.
  • Superficie alar: es la superficie de la vista en planta del ala que incluye la parte cubierta del fuselaje, montantes, motores, etc.
  • Cuerda media: los perfiles que constituyen el ala suelen ser distintos a lo largo de la envergadura. La cuerda media, es aquella que multiplicada por la envergadura es igual a la superficie alar.
  • Línea del 25%: el centro aerodinámico está situado alrededor del 25% de la cuerda, tanto para cálculos de proyecto como para diseño. Lo que define a esta línea, es la unión de todos los puntos a lo largo de la envergadura que están situados al 25% de la cuerda tomando como referencia el borde de ataque.
  • Flecha: línea que forma la línea del 25% y la perpendicular del eje del avión. Puede ser progresiva o regresiva. En los aviones comerciales ronda el 25 al 40%.
  • Diedro: tiene influencia en la estabilidad lateral del avión y suelen rondar los 3° a 6°.
  • Ángulo de incidencia: el formado entre el eje longitudinal del avión y la cuerda de referencia. Tiene incidencia en la resistencia. Se busca que tenga valores pequeños para una condición de vuelo dada, generalmente en crucero y tiene un valor del orden de 0° a 2°.
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Origen de la sustentación en el ala

Como hemos visto en capítulos anteriores, la diferencia de presión entre extradós e intradós, generaba una fuerza perpendicular a la corriente libre de aire que denominamos sustentación. Si consideramos ya no un perfil, sino el ala completa la situación es la misma, pero en las punteras del plano tienden a confluir las presiones del intradós (mayor presión) hacia el arriba generando unas corrientes de aire trasversales. A lo largo del plano existen superpuestas con la corriente longitudinal, una transversal debido al flujo de las presiones del intradós hacia arriba. En las puntas, al terminar el ala que soporta la diferencia de presiones, la corriente lateral es superior y se generan los torbellinos de puntera de ala. Recordemos que la mayor presión generada por el intradós tiende a subir y al terminar el ala, se combina con el flujo de mayor velocidad del extradós generando esos torbellinos.

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La intensidad del torbellino, viene determinada por la diferencia de presiones. Por ende conforme se aumente el CL aumentará el tamaño de los torbellinos. O lo que es lo mismo decir, aumentando el ángulo de ataque.

Efectos de la estela turbulenta  

Los dos torbellinos que generan las puntas de ala y que giran en sentido contrario entre punteras de ala han sido motivo de estandarización de normas y procedimientos tendientes a mejorar la seguridad operacional. Esta deformación de la masa de aire tiene efectos que pueden resultar catastróficos para otras aeronaves en especial en las fases de despegue y aterrizaje. Una aeronave que ingresa a la estela turbulenta de otra, puede experimentar una pérdida de sustentación que exceda la capacidad de respuesta de sus comandos, es por ello que OACI como norma general habla de una separación entre aeronaves de 3 a 6 millas náuticas o en tiempo de 2 a 3 minutos. 

En un fluido ideal, durarían siempre. Pero debido a la viscosidad tienden a disiparse. Además tienen un desplazamiento hacia abajo del avión que los está generando con un régimen de descenso del orden de los 500 pies/minuto hasta que se hacen nulos alrededor de los 1000 pies (he aquí la separación por tiempo).

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La intensidad de los torbellinos viene determinada por:

  • El peso: a mayor peso, mayor intensidad. Esto se explica partiendo de la base que a mayor peso, la sustentación debe ser mayor. Para generar mayor sustentación será necesaria mayor energía cinética (velocidad) que se traducirá en un flujo más intenso de aire diferencia de presiones que circula a través del ala.
  • La velocidad: a menor velocidad, mayor ángulo de ataque, por ende mayor diferencia de presiones entre extradós e intradós que contribuirán a la generación de torbellinos más grandes.
  • Envergadura: a menor envergadura, mayor es la intensidad porque la resistencia inducida es mayor que en aquellos de mayor envergadura. Si el ala fuese infinita, no existirían los torbellinos.

Por lo mencionado, podemos decir que los torbellinos serán más grandes en los despegues y aterrizajes porque los ángulos de ataque en esas fases de vuelo son elevados ya que se requiere mucha sustentación para poder operar a baja velocidad siendo lo suficientemente mayor para contrarrestar al peso. Es necesario que se respeten los tiempos entre partidas y arribos, máxime cuando la aeronave que nos precede es de gran porte.

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Efectos de la forma en planta del ala

El efecto que produce la corriente libre del aire en los diferentes tipos de perfiles se presente de diferente manera y es necesario analizar las características de:

  • Entrada en pérdida
  • Pendientes de las curvas de sustentación y polar

Es importante tener conocimiento de los efectos que se producen localmente en el ala porque dependiendo de la aeronave que estemos volando, serán las características que se presentarán durante vuelos a baja velocidad o próximos a la pérdida. De esto dependerán los cuidados o las técnicas de recuperación en el caso de presentarse una situación de pérdida de sustentación.

Recordemos que lo deseable es que el diseño de un avión ante síntomas de pérdida de sustentación permita:

  • Dar aviso previo a que la pérdida ocurra: a través de alarma sonora, stick shacker (el bastón de mando comienza a vibrar cuando el avión se acerca al ángulo de ataque de pérdida), AOA bracket (indicador del valor de ángulo de ataque), etc.
  • Que se produzca en forma progresiva y no abrupta
  • Que empiece por la zona de encastre y no las puntas: como los alerones se encuentran cerca de las puntas, cuando inicie la pérdida, sería deseable que todavía se disponga de comando lateral
  • Que una vez que ocurra no provoque un tirabuzón o una situación que sea difícil de recuperar

Perfiles elípticos: en estos perfiles la distribución de las fuerzas producto de la Superficie vs presión es igual en todo el ala. Por lo cual, en toda la sección el coeficiente de sustentación local cl es el mismo y la resistencia inducida también lo es. La relación entre el coeficiente de sustentación local cl (el que se produce localmente en una parte del ala) y el coeficiente de sustentación CL es igual a 1. cl / CL = 1 lo que quiere decir que todas las secciones entrarían en pérdida con un mismo ángulo de ataque y al mismo tiempo.

La pérdida se origina en aquellos puntos en los que el cl / CL = máximo.

No es bueno que todo el ala entre en pérdida al mismo tiempo porque no habría aviso de pérdida y tampoco efectividad en los alerones mientras el ala comienza a entrar en pérdida. En las alas elípticas, ambas cosas ocurren al mismo tiempo. Ahora bien, este tipo de alas prácticamente no se usan pero es necesario tomar este modelo como punto de partida para distinguir el comportamiento de otro tipo de alas ya que en los inicios se la considero el ala perfecta.

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Alas rectangulares:

  • Los torbellino de punta de ala son muy intensos
  • El ángulo de ataque inducido es pequeño en el centro y grande en las puntas
  • El coeficiente de sustentación en el centro es grande y en las puntas pequeño
  • La pérdida comienza en el centro y va progresando hacia las puntas
  • Buenas características de entrada en pérdida, pero genera mucha resistencia inducida
  • Son de fácil construcción y la utilizan muchas aeronaves pequeñas como las voladas en las escuelas de vuelo (cessna, tecnam, piper, etc.)
  • El estrechamiento también influye  pero hay que tener en cuenta si es grande o moderado. La zona de la envergadura de entrada en pérdida dependerá en gran medida del estrechamiento:
  • Si el estrechamiento es pequeño entran primero en pérdida las puntas (efecto indeseable)
  • Estrechamiento del orden de λ (flecha) = 0,5 tiene un comportamiento similar al elíptico
  • En el caso de ala triangular λ = 0 las puntas estarían siempre en perdida. No es aplicable en aviones subsónicos
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En el caso del alargamiento (A), a mayor alargamiento aumenta la pendiente de la curva de sustentación, pero también disminuye el valor de AOA en la que el plano entra en pérdida. Muchas alas combinan estas variables y sobre todas las cosas habrá que tener en cuenta que estas características definirán si un avión tiene la capacidad para volar a alta o baja velocidad.

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Alas en flecha: tienen un efecto similar a las alas con estrechamiento. Tienden a entrar en pérdida primero las puntas y presentan mucha resistencia inducida.

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Apréciese en el gráfico, como la influencia de la flecha disminuye el CL, pero también la entrada en pérdida se produce a un AOA mayor.

Alas en delta: tienen características similares a las alas en flecha, pero no cuentan con el defecto de que primero entra en pérdida las puntas. De hecho muchas aeronaves de caza que emplean este tipo de alas, entran en pérdida a muy elevados ángulos de ataque que pueden ir entre 22-30 unidades. Igualmente, se emplean en muchos diseños la torsión para variar el ángulo del perfil y de esa manera modificar la distribución de presiones a lo largo del ala.

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Reflexiones finales

  • La resistencia inducida se produce por los torbellinos de puntera de ala y son más grandes durante la fase de despegue y aterrizaje. Por este motivo es necesario mantener separación entre las aeronaves ya sea por tiempo o distancia (depende de la velocidad de los aviones) porque el ingreso dentro de la estela turbulenta puede ser causal de una pérdida de control.
  • La forma y diseño del ala tiene relación directa con la función de la aeronave, ya que dependiendo de sus características será el comportamiento que va a tener en diferentes condiciones de vuelo y definirá si es una aeronave para volar a baja o alta velocidad. Es lógico que no solo es el diseño del ala, sino que debe estar acompañado por diversos sistemas que le permitan al avión desempeñarse de acuerdo a la función para lo que fue creado y para ello son iguales de importantes los motores, sistemas de comandos, superficies hipersustentadoras, etc.
  • En general, a medida que la flecha es más acusada la aeronave presentará mejores características para el vuelo a alta velocidad pero la sustentación generada será menor que un ala con menor flecha o flecha nula.
  • Una aeronave con mayor alargamiento tendrá menos resistencia inducida. También es cierto que se conseguirá una mayor sustentación con menores ángulos de ataque pero esto trae aparejado una entrada en pérdida más rápida.   

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