Es 2020 y todavía no entendemos del todo por qué los aviones se mantienen en el aire

Agoreros o no, todos hemos apartado la vista de la ventanilla del avión en alguna ocasión, al ver como las alas del avión sufrían varias sacudidas y a nuestro parecer, se movían más de la cuenta. Sí, hemos oído cientos de veces que el avión es el medio de transporte más seguro del mundo; que de cada 2,4 millones de vuelos, solo uno acaba en tragedia, y que las turbulencias no han causado un accidente en al menos 40 años.

Entonces, ¿por qué nos inquieta tanto el movimiento brusco de las alas? Como en tantos otros casos, la respuesta está en nuestro absoluto desconocimiento respecto a cómo se mantiene un avión en el aire. Es por ello que nos hemos preguntado; ¿qué extraña fuerza permite al avión sostenerse a 10.000 metros de altura durante miles de kilómetros, sin que una violenta sacudida suponga la más mínima amenaza en el pilotaje?

Si no sabes responder con certeza a esta pregunta, no te preocupes; la comunidad científica tampoco.

Y es que, aunque los ingenieros aeronáuticos son sobradamente capaces de construir aviones capaces de volar (como prueban los últimos 80 años de historia de la aviación), no lo son tanto a la hora de explicar cómo se genera exactamente la sustentación aerodinámica, o la fuerza ascendente que permite a un armazón de metal de aproximadamente 100 toneladas mantenerse en el aire.

Existen diversas teorías al respecto que, aunque ofrecen una explicación suficientemente plausible de por qué se genera dicha fuerza, a lo largo de los años han sido tachadas de incorrectas o como mínimo, de insuficientes, puesto que dejan muchos cabos sin atar. Si bien cumplen su función divulgativa (y es por ello que se incluyen en libros de texto y enciclopedias dirigidas a lectores menos instruidos), ninguna de esas explicaciones universales constituye una explicación válida en sí misma.

¿Cómo diseñamos aviones capaces de volar, si no podemos explicar cómo lo hacen?

Llegados a este punto, te estarás preguntando cómo es posible diseñar un avión comercial perfectamente funcional, y al mismo tiempo, no poder explicar de forma rigurosa cómo se origina la fuerza que permite al avión elevarse durante el despegue.

Muy fácil; la física (y la mecánica de fluidos, en particular) es una ciencia eminentemente experimental, en la que muchas veces los experimentos preceden a la teoría. En primer lugar, se observa un fenómeno y se efectúan mediciones; más tarde, se realizan experimentos y se elaboran modelos matemáticos para explicar los datos suministrados por esos experimentos, y en último lugar, se elaboran teorías y leyes.

Es decir, la labor investigativa de físicos y matemáticos del siglo XVIII y XIX nos ha dotado de fórmulas matemáticas capaces de realizar predicciones muy precisas y demostrables a través de experimentos (ecuaciones de Navier-Stokes). Sin embargo, muchas veces no disponemos de la habilidad para traducir dicho lenguaje matemático, efectivo e inequívoco, a un lenguaje que resulte comprensible y razonable a nuestros ojos, a menudo limitados por lo que podemos observar a simple vista, y lo que no.

Las explicaciones tradicionales, o lo que nos cuentan los libros de texto de secundaria

Antes de nada, cabe recordar que el aire es un fluido y como tal, ofrece cierta resistencia a los cuerpos sólidos que impactan contra él, de forma similar al agua del mar cuando un barco impacta contra ella (esta segunda simplemente tiene una densidad mayor).

Es común pensar que lo que mantiene el avión en el aire es la potencia del motor, pero aún en el hipotético e improbable caso de que el motor fallase, el avión no caería en picado. Si bien el motor contrarresta la resistencia que se genera desde la parte frontal (arrastre), son las alas las que contrarrestan la resistencia que se genera hacia abajo (peso).

Es decir, la potencia del motor permite que el avión alcance cierta velocidad, pero son las alas realmente las que, debido a su forma tan particular, generan la suficiente fuerza para contrarrestar el peso del avión y sus ocupantes (alrededor de 100 toneladas). En definitiva, para que el avión se mantenga en el aire, ha de producirse un equilibrio perfecto entre cuatro fuerzas enfrentadas entre sí (peso-sustentación, y empuje-arrastre). Cuando este equilibrio se produce, el avión entra en fase crucero.

La explicación tradicional por antonomasia es el teorema de Bernoulli, un matemático, estadístico, físico y médico holandés-suizo que vivió en el siglo XVIII. Según dicha explicación, las moléculas de aire, al encontrarse con el ala, se ven obligadas a separarse. Debido a la forma del ala (más gruesa y redondeada en la parte frontal), las moléculas que viaja sobre el ala, con el fin de reunirse de nuevo con las moléculas que viajan en la parte inferior, han de recorrer la misma distancia en un menor tiempo, lo que aumenta su velocidad. Según la ley de Bernoulli, a mayor velocidad, menor presión, con lo que tenemos una zona de baja presión sobre el ala y una zona de alta presión bajo la misma, lo que impulsa el ala hacia arriba.

El teorema de Bernoulli concede sin embargo demasiada importancia a la curvatura del ala y a la posición del avión, ignorando que hay aviones capaces de volar con alas completamente planas, y también de girar 180 grados durante el vuelo, y mantenerse en el aire. Además, numerosas investigaciones han demostrado que el aire que viaja sobre el ala del avión, llega al final del ala antes que el aire que viaja bajo el ala, y no se vuelve a reunir con este segundo.

“La teoría de Bernoulli se extendió por desconocimiento, ante la necesidad de darle una explicación sencilla a los primeros vuelos con avión en 1903”, nos explica Carlos Sanmiguel, doctor en mecánica de fluidos por la Universidad Carlos III de Madrid. “La aerodinámica de los aviones se fue aprendiendo a través de un proceso de ensayo y error, ya que su nacimiento fue previo al desarrollo de una teoría formal, y no había ecuaciones que permitieran cálculos en la fase preliminar. En general, la fabricación de aviones siempre ha sido muy empírica. El avión de los hermanos Wright era un avión inestable”, añade Carlos.

Las leyes del movimiento de Newton, reformuladas para el comportamiento de los fluidos, son otra de las explicaciones tradicionales de la sustentación. Según el principio de acción y reacción, a cada acción le corresponde una acción opuesta. De igual manera que un vaso de agua ejerce una fuerza hacia abajo que se ve contrarrestada por la fuerza hacia arriba que ejerce la mesa que lo sostiene, en el caso de la aviación, el ala empuja el aire hacia abajo, lo que a su vez genera un empuje del ala hacia arriba (sustentación), y hacia detrás (arrastre).

Si bien esta teoría sí es aplicable a todo tipo de alas independientemente de su forma y curvatura, y ofrece una explicación al vuelo invertido, también hace aguas a la hora de explicar por qué, incluso en alas completamente planas, se genera una zona de baja presión en la parte superior del ala. Carlos nos confirma que las leyes de Newton, por sí solas, también presentan problemas como explicación.

A fin de cuentas, las teorías de Bernoulli y Newton son muy anteriores a los primeros ensayos con aeronaves, y simplemente fueron reformuladas tras el primer vuelo con motor de la historia a manos de los hermanos Wright en 1903. Tanto el uno como el otro desconocían que sus teorías jugarían un papel esencial en los principios de la aeronáutica. No obstante y a pesar de sus visibles limitaciones, basta con indagar en algunos blogs de divulgación y en sus respectivas secciones de comentarios, para confirmar que hoy día sigue habiendo cierta dicotomía entre ambos teoremas (como si fueran contradictorios más que complementarios), y sigue habiendo quien los defiende a capa y espada.

La explicación correcta, o lo que nos cuentan en la carrera de aeronáutica

Precisamente, la explicación más correcta a ojos de la comunidad científica (o mejor dicho, la que menos inconsistencias presenta) es una combinación de ambas teorías. Dicha explicación aúna el principio de acción y reacción de Newton (el avión vuela porque desvía una gran cantidad de aire hacia abajo) y el teorema de Bernoulli (la existencia de una diferencia de presiones entre la parte superior y la inferior), pero introduce un nuevo elemento que cohesiona ambas teorías: el ángulo de ataque o inclinación del ala con respecto al aire que le llega de frente.

El ángulo de ataque del ala está muy ligado a la viscosidad, una propiedad del aire que no contemplaban las teorías tradicionales. La viscosidad provoca que el aire se “adhiera” a la forma del ala (efecto Coandă), y se desplace pegado a la misma a modo de capa hasta alcanzar el borde de salida del ala. Es lo que se conoce como capa límite, y es precisamente el campo de investigación del doctor Carlos Sanmiguel, quien además cursó su tesis en aerodinámica experimental.

De esta manera, cuando la inclinación del ala sobrepasa cierto ángulo, la fuerza generada por la viscosidad no es suficiente para que las capas de aire continúen adheridas a la parte superior del ala, y se pierde la sustentación. Esta teoría explica también el vuelo invertido; cuando el avión gira 180 grados y se sitúa bocabajo, el ángulo de ataque sigue presente pero a la inversa, generando una sustentación negativa.

Carlos, por su parte, prefiere explicarlo a través de las ecuaciones de Euler o lo que es lo mismo, las leyes de Newton combinadas con la conservación de masa y de energía. “La clave no está en el diseño del ala, sino el comportamiento del aire en torno a la misma”, afirma Carlos. “El aire se deflecta en torno al ala del mismo modo que lo haría con cualquier otro obstáculo, ya sea un coche, un aerogenerador o una colina”.

Las matemáticas, o el motivo por el que no necesitamos una explicación "lógica"

Como comentábamos al principio, estas teorías son sencillamente una forma de ponerle sentido al lenguaje matemático, a menudo demasiado abstracto y elusivo. Sin embargo, las fórmulas matemáticas por sí mismas permiten la fabricación de aviones perfectamente viables desde 1940.

En concreto, se trabaja con las complejas ecuaciones de Navier-Stokes, que permiten calcular el movimiento de un fluido de forma muy precisa sin tener que recurrir a las pruebas en túneles de viento ni demás experimentos a escala real. Eso sí, su complejidad es tal, que no hemos logrado aún resolverlas de forma analítica (de hecho, se ofrecen más de 810.000 euros a la persona que finalmente consiga resolverlas sobre el papel), con lo que únicamente permiten realizar cálculos aproximados.

“No podemos resolverlas de forma analítica; están fuera de nuestro alcance”, nos explica Carlos. “Para dar una solución exacta a las ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a problemas reales, serían necesarias supercomputadoras (como el MareNostrum, en Barcelona), y procesos de cálculo de meses y meses”. El campo que se ocupa de encontrar soluciones para las ecuaciones de Navier-Stokes mediante simulaciones por ordenador es lo que se conoce como mecánica de fluidos computacional. “Llevan 30 años diciendo que llegará el día en el que las supercomputadoras logren resolver las ecuaciones de Navier-Stokes, y se pueda prescindir completamente de la fase experimental, puesto que es muy costosa”, aclara Carlos. Ante la complejidad de las ecuaciones de Navier-Stoke, se aplican simplificaciones o modelos que alivian el proceso de cálculo, y permiten obtener soluciones aproximadas del movimiento del aire en casos reales.

Nos queda claro que, a día de hoy, no es posible diseñar un avión sirviéndose únicamente de ecuaciones y simulaciones numéricas, sino que son necesarios los experimentos. No obstante, Carlos se muestra optimista y cree que llegará el día en que los avances en computación y técnicas experimentales permitan entender mejor los fenómenos que hay detrás de las ecuaciones de Navier-Stokes, y se puedan realizar modelos que puedan predecir el comportamiento del aire, y la formación de vórtices y remolinos. “Los avances en materia de fotografía digital ya permiten calcular el movimiento del aire a partir de una simple fotografía”, nos explica el ingeniero, remitiéndonos a la siguiente imagen de una técnica de velocimetría de imagen de partículas (PIV).

En resumen, el debate respecto al origen de la sustentación o fuerza que permite al avión elevarse durante el despegue, no es otro que el debate que rodea la divulgación científica en general; ¿es posible realmente dar con una explicación sencilla, comprensible y lógica, que se pueda incluir en los libros de texto de secundaria, sin que esto traiga aparejada una simplificación excesiva que paradójicamente, invalide la explicación?

Carlos comparte la misma duda. “El problema es intentar explicar un fenómeno muy complejo, de forma muy sencilla. En su lecho de muerte, el físico Werner Heisenberg dijo que lo primero que le iba a preguntar a Dios era la explicación a la relatividad y a la turbulencia, y que solo esperaba recibir respuesta para la primera”, concluye.

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