Vórtices, winglets y demás parafernalia aerodinámica
Un amigo, tan observador como temerario, cometió el error de preguntarme por qué el avión que le había traído tenía las puntas de las alas «dobladas» hacia arriba. Como me pareció que el rollo que le metí no le aburrió demasiado, lo comparto también con vosotros.
Respuesta corta: eso que hay en la punta de las alas es un winglet, y sirve para reducir la resistencia (y el consumo) del avión entre un 2 y un 5%. Respuesta larga: poneos cómodos y dadme un segundo. ¿Sabéis por qué un avión se mantiene en el aire? Sí, hombre: échale un ojo al vídeo. Eso de que el aire va más rápido por la parte de arriba del ala que por la de abajo y que, según un tal Bernoulli, crea un vacío en la parte superior que «tira» del ala (y el avión) hacia arriba. Esto nos conviene para que el avión suba sin tener que esperar a que la curvatura de la Tierra se aleje de él. Pero entonces, si arriba hay menos presión que en la parte de abajo, ¿qué ocurrirá cuando nos acerquemos a la punta del ala? Claro: el aire de abajo tenderá a fluir hacia arriba, como en este dibujo:
El resultado es que tenemos una corriente de aire que, combinada con el avance del avión, nos da un torbellino de punta de ala o, en inglés (que siempre mola más), un wingtip vortex.
Estos torbellinos suponen un problema a varios niveles. Para el propio avión, aumentan la resistencia inducida: tiene que desperdiciar energía en acelerar esa masa de aire en vez de emplearla en su propio avance. Y para el resto de aviones, esas turbulencias permanecen en el aire durante varios minutos (descendiendo lentamente a unos 100 m/min y alejándose lateralmente a unos 5 km/h). La putada es que esos vórtices de punta de ala son más intensos a bajas velocidades (aterrizaje y despegue), pudiendo llegar a tirar un avión. Podemos verlos gracias a la niebla en esta foto (o este vídeo de Landing Short):
El británico Lanchester, a finales del siglo XIX, ya se percató de este problema y propuso un apaño teórico. Pero no sería hasta la crisis del petróleo de los 70 que los estadounidenses, que de hacer aviones saben un rato, encargaron a Whitcomb y sus chicos de la NASA que se currasen una solución. Y dijeron: si el problema es que el aire va de abajo arriba… ¿por qué no ponemos una barrera? Y ese es el concepto de los winglets: superficies en la punta del ala que rompen la corriente ascendente, reduciendo la resistencia y aportando estabilidad direccional. Así pues, el primer avión comercial que equipó winglets fue el MD-11 (aunque unos años antes ya se había hecho en el Vari-Eze experimental y en el Learjet, un reactor ejecutivo).
Actualmente es común encontrar derivados de ese concepto en aeronaves de todos los tipos y fabricantes:
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Winglets en el Airbus 330 o la familia CRJ, entre otros muchos. |
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Blended winglets en el Boeing 737 Next Generation, que es lo mismo, sólo que con una transición más suave entre el plano del ala y el del winglet, para mejorar su rendimiento. Hacer el ‘retrofit’ e instalárselos a un avión que no los tenga cuesta entre quinientos mil y dos millones de dólares. |
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Wingtip fences en la familia Airbus 320. Aunque ya están listos los ‘sharklets’, una mezcla de winglet y raked wingtip. |
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Raked wingtip. Donde caben tres, caben cuatro: estos no son como los anteriores, pero también se usan para reducir los torbellinos de punta de ala, en este caso adelgazando y echando hacia atrás la punta del ala. Boeing lo está empleando en sus nuevos aviones de largo alcance, tipo Boeing 777 o 787 (o el Poseidon militar de la foto), porque resulta más eficiente para cruceros largos que las otras opciones. |
No está todo lo que es, pero sí es todo lo que está. Y como de costumbre, comentarios, preguntas y correcciones bajo el cuadradito gris.
Bibliografía:
Carmona AI. Aerodinámica y actuaciones del avión. 12ª ed. Madrid: Thomson-Paraninfo; 2004. [Y fuente de los esquemas explicativos]
U.S. Department of Transportation – Federal Aviation Administration. Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge. 2003.
Chambers JR. Concept to reality. Contributions of the NASA Langley Research Center to U.S. Civil Aircraft of the 1990s. NASA; 2003.
U.S. Department of Transportation – Federal Aviation Administration. Wake Turbulence Training Aid (DOT/FAA/RD-95/6). 1995.
¿Pero no decían en el siglo XVII que las turbulencias estaban controladas? Sesqueee…. Genial artículo, como siempre. Claro y conciso.
Y puede que falte más, pero es mejor donde se ha quedado, porque más explicación puede hacerlo tedioso.
Un saludo.
Enrique
23 Oct 10 at 01:41
Muy interesante, muchas gracias. Es bueno saber este tipo de cosas.
Raven
23 Oct 10 at 10:37
Si no mal recuerdo, una de las funciones añadidas de los winglets era la reducir la fatiga del ala, aumentando así, la vida útil del aparato.
Podrías confirmarlo?
Kumo
23 Oct 10 at 10:41
Muy buena explicación: concisa pero con todo el rigor y exactitud técnica necesaria, lo que suele ser muy difícil de lograr…
Enhorabuena por el post (y gracias por el enlace!)
Saludos!
Jb
Jb
23 Oct 10 at 10:54
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Vórtices, winglets y demás parafernalia aerodinámica
23 Oct 10 at 11:24
Muy bien explicado. Te dejo otra imagen donde se aprecia el vortice.
http://fr.academic.ru/pictures/frwiki/65/Airplane_vortex_edit.jpg
Seguro que has visto esas fotos de torres que liberan gases de distinto color segun la altura y hacen pasar el avion por el lado. A lo mejor una de esas imagenes seria espectacular para ilustrar el post (aunque la del B757 a punto de aterrizar tambien es preciosa).
salu2!
Orayo
23 Oct 10 at 14:33
Kumo:
La fatiga se produce cuando hay una fuerza variable en el tiempo. Si los vortices generan esa fuerza, entonces eliminar los vortices soluciona tu problema. Quiza por ahi vaya la contestacion a tu pregunta.
Si no es eso, no se me ocurre que otro efecto puede tener el winglet para evitar la fatiga.
salu2!
Orayo
23 Oct 10 at 14:35
grandioso..como siempre!
mucho más explicativo que muchos libros que pululan por las escuelas!
calvert
23 Oct 10 at 15:01
Según entendí en las clases de aerodinámica, que no llegue a aprobar, asi que tomar con precaución mis afirmaciones, el beneficio del winglet esta en que es una especie de ala en vertical con la que consigues una resultante en la dirección de avance del avión. La dificultad de diseño residía precisamente en eso, la forma y orientación para que la resultante quedase hacia delante, creo recordar.
Buscando en google he encontrado un par de cosas que asi lo dicen también:
«Un winglet puede asimilarse a una
pequeña ala vertical, que juega un papel
semejante a la vela de un velero, proveyendo al
avión de un empuje extra que le ayuda a
economizar combustible.»
http://www.caedi.org.ar/pcdi/Area%2013/13-147.PDF
No he encontrado dibujos para ejemplificar, pero sino me he explicado bien lo puedo hacer en un momento con el paint.
Ronder
23 Oct 10 at 16:11
Oh, qué productivo ha sido entrar en tu blog hoy: me ha llevado al descubrimiento de la Beginner’s Guide to Aeronautics y he añadido una canción nueva al ipod (sonido del vídeo) xD
Emtochka
23 Oct 10 at 23:05
@Enrique:
También decían que una máquina más pesada que el aire jamás lograría volar, o que un hombre no sería capaz de volar por sus propios medios, así que ya ves 😛
Y ese era el problema que me temía: empiezo a enrollarme… y la lío parda 😳
@Raven:
Me alegra que te haya gustado 🙂
@Kumo:
Por lo que he podido leer en algún folleto de Boeing, más bien es al contrario: los winglets suponen un peso considerable en el extremo del ala, por lo que aumentan algo la fatiga (especialmente en aviones de corto alcance, con muchos ciclos). De hecho, cuando se instalan hay que hacer unos retoques en el ala para que soporte los esfuerzos y fatiga aumentados. Pero vamos, tampoco pondría la mano en el fuego con esto 😳
@Jb:
Me agrada doblemente que seas tú quien me lo diga 🙂
@tweets varios:
¡Gracias!
@s0phisma:
Muchas gracias por el meneo 🙂
@Orayo:
Gran imagen la tuya 🙂 Me suena haberla visto en un libro de seguridad en vuelo (de Roed Aage), ¿puede ser? De todas formas, la razón por la que elegí esta es que era una de las dos que, en su momento, guardé en el ordenador como ¡guau, qué chula! (la otra la tengo de fondo en el portátil, pero ya que me habían dado permiso para usar esta…).
@calvert:
Como con JB, tu opinión añade un plus de satisfacción 😀
@Ronder:
Efectivamente, el flujo de aire sobre el winglet produce una (pequeña) resultante de avance.
@Emtochka:
Vaya, me alegra haberte espoleado la curiosidad hacia los avioncitos (lo mismo te acabo de descubrir una pasión :P). En cuanto a la canción, ahora te mando un par de cosas…
EC-JPR
24 Oct 10 at 00:31
Señor, me ha encantado su entrada. Me encanta la física y las cuestiones técnicas…
Cuando me subo a un avión, tras los primeros instantes de «¡hay seres humanos realmente inteligentes que son capaces de disñar y fabricar estos aparatos!», …inmediatamente me asalta el «¿dónde dijo el amable asistente de vuelo que estaba la salida de emergencia?» 🙂
Leyre Martín
24 Oct 10 at 18:19
De todas maneras, tampoco hace tanto que han cambiado ciertos aspectos de la física. Hasta 1963 esta era muy determinista. ¿Y que ocurrió en 1963? Pues que a un metereólogo y matemático llamado Eduard Lorentz se le ocurrió hablar de una mariposa provocando huracanes. Y ya de paso, pues revolucionó la ciencia (ya que estaba, pues….).
De todas maneras, aunque te lies, seguimos ganando con tus post. 😉
Un saludo.
Enrique
25 Oct 10 at 09:51
Vórtices, winglets y demás parafernalia aerodinámica…
Un amigo, tan observador como temerario, cometió el error de preguntarme por qué el avión que le había traído tenía las puntas de las alas “dobladas” hacia arriba. Como me pareció que el rollo que le metí no le aburrió demasiado, lo comparto también co…
awebados.com
25 Oct 10 at 14:03
Tema interesante el de los winglets.
Pero si no estoy equivocado, la sustentación de los aviones en el aire no se produce por la diferencia de presiones en el ala (es sólo una pequeña parte), si no que es a causa del principio de acción y reacción, es decir el aire que pasa por arriba y abajo del ala sale impulsado hacia abajo (acción) y produce un efecto de reacción empujabndo el ala hacia arriba. Todo ello depende del ángulo de ataque, superficie y curvatura del ala.
Danup
25 Oct 10 at 16:34
@Leyre Martín:
¡Coño, Leyre, no sabía que te dejabas caer por aquí! Bienvenida a mi chamizo 🙂
Con el avión, yo siempre intento pillar salida de emergencia 😀 No me fío de que otro sepa abrir la portezuela (quitar la caperuza, tirar de la manilla, levantarla de abajo y empujar los 20 kg que pesa). Pero lo mejor es la parte de los ruidos: ¿has montado alguna vez en un Airbus? A la gente le suele llamar la atención ese pitbull que se oye en la bodega mientras el avión está aparcado 😛
@Enrique:
No lo repitas mucho, porque tengo por ahí uno preparado sobre radares que, como lo publique tal cual está ahora, es infollable 😳
@Danup:
Vaya, me sorprende que hagas ese comentario desde ese lugar de trabajo… pero no, no es como dices 😳 Yo también tenía la tentación de pensarlo así, especialmente con el rotor de un helicóptero: empuja aire -> se eleva por reacción. Pero, aunque parezca más intuitivo, es incorrecto: de hecho, el dato es que un 75% de la sustentación se consigue merced al vacío del extradós, y sólo un 25% por la sobrepresión del intradós. Déjame ponerte un par de ejemplos, a ver si consigo aclararlo:
– Imagina un perfil alar en un túnel de viento. Vamos aumentando su inclinación y aumenta la sustentación, hasta que de repente tiembla y… ¡plof! ¡Entra en pérdida y «se cae»! Si la hipótesis de acción-reacción fuese cierta, el ala debería seguir generando sustentación, pues sigue deflectando aire hacia abajo. Pero la realidad es que la corriente que pasaba por el extradós se ha separado, no generando esa «succión» que lo elevaba.
– Otro más elaborado y convincente: un cilindro girando. Un cilindro girando en una corriente de aire genera una fuerza perpendicular a ella, con una magnitud que depende de la velocidad de giro: es el efecto Magnus (o la forma de meter un gol tirando un córner 😛 ). Sin embargo, ahí no aparecería la acción-reacción como la mencionaste 🙂
De hecho, la sustentación no depende sólo del AoA, superficie y curvatura:
Estrictamente depende de la densidad del aire, el cuadrado de la velocidad, la superficie del ala y el coeficiente de sustentación, que viene dado (entre otros) por factores como el AoA, el espesor, la flecha o el alargamiento del perfil.
No obstante, sí es verdad que un perfil asimétrico genera una corriente descendente tras él (downwash, creo que se llama), y que esto genera un momento de cabeceo negativo (picado). ¿Quizás sea eso lo que te ha llevado a la confusión?
Espero haber aclarado algo 🙂
EC-JPR
25 Oct 10 at 19:46
Anda, y yo que pillo salida de emergencia porque tiene más hueco para las piernas…
Emtochka
25 Oct 10 at 20:36
Yo lo que quiero ventana. Aunque sea un ventanuco… viajar sin ver na’ de na’ no tiene gracia. Lo demás en el fondo me da igual (queda guay para decir «pues yo sé porqué llevan las alas así» o «los aviones vuelan por tal o cual razón» pero ahí se acaba todo mi interés… bueno, eso y decir «mira, ¡un avioncito!» como quien ve un perrito).
Bea
25 Oct 10 at 21:36
Uis… a saber a lo que llamas tú infollable. Diciéndolo así, casi hasta me entra curiosidad. Por no asustar al resto, depúralo si quieres, pero por mi lo puedes poner íntegro. Seguro que he leido cosas peores.
Enrique
26 Oct 10 at 10:34
¿Chamizo? Esto que tienes montado es un mega chalet-altruísta con una super-biblioteca y sala de tertulia!! 😉
Yo suelo mirar esta página, http://www.seatguru.com/ en la que introduces el número de vuelo, y te indica las características del avión y los sitios más y menos recomendables.
Una duda que me asalta siempre al montar en un avión es: qué parte del aparato es más segura en caso de accidente ; dónde/cómo hay más posibilidades de salir vivo. Supongo que dependerá del tipo de accidente, para empezar…. pero igual te da para un post. ….poorrrr comentarrrrrr. 😉
Leyre Martín
26 Oct 10 at 23:06
@Leire: te pega bastante mirar seatguru jeje yo prefiero que me sorprendan .. la emoción que da ir caminando por el pasillo del avión y ver como se acerca tu numero de sitio y el-asiento-no-reclinable-junto-a-los-baños .. y el alivio de después de pasarlo ..
@MR J: q crack, como siempre
David
27 Oct 10 at 13:50
Bueno, acabo de llegar al blog y la verdad me ha parecido sumamente interesante y muy divertido el «tono» en que están redactados los post… felicidades
Ahora a leer los 34 post de aviación 🙂
aviones
28 Oct 10 at 16:55
@Emtochka:
¿Y las vistas sobre el ala qué, eh? ¡La de cosas que se aprenden ahí! 😛 Reconozco que el pitch extra para las piernas es un filón… pero lo de andar subiendo y bajando los bultos al rack en despegue y aterrizaje casi lo compensa 😳
@Bea:
¡¡Un perrito!! 😀
@Enrique:
Ya veré, porque entretanto me han surgido un par de temas más. Aunque para uno necesito fotografiar unos cuantos brazos: a ver si puedo hacerlo pronto.
@Leyre Martín:
Hale, ya está. Ya ha crecido el ego tanto que no puedo salir de la habitación, ¡a ver cómo hago ahora para lavarme los dientes! 😛
En cuanto a la parte más segura, es esa: las salidas de emergencia 🙂 Obviando el hecho de que a 300 km/h el hostiazo es mortal de necesidad (y que en esas circunstancias la zona más «segura» es el puro de cola), si llegas a encontrarte en una situación de la que puedas salir vivo, te recomiendo una salida de emergencia, donde cuatro soplapollas y sus maletas (sí, el pasaje es español) no se interpongan entre tú y la salida.
Pero recuerda no abrir la puerta si no ves el camino despejado, no sea que te abalances sobre una turbina en llamas 😳
@David:
Pa’ lo poco que vuelo, yo prefiero hacerlo bien 😳
@aviones:
Muchas gracias por el halago 🙂 A mí también me ha parecido muy interesante tu página: siempre había tenido curiosidad por saber alguna cifra de las que allí aparecen 😀
EC-JPR
30 Oct 10 at 02:53
@EC-JPR: Al ver el vídeo de la evacuación, no me esperaba otra nacionalidad del pasaje, la verdad sea dicha. En finnnn.
Así que la parte traseara, eh? bien, bien.
Una de mis múltiples teorías, era que si sentaban a la los pasajeros de 1ª clase delante, sería porque pudiera ser más seguro…., o quizá no…. jisjisjis
@David: soy bastante predecible, sí. jeje.
Leyre Martín
30 Oct 10 at 22:51
Me he acordado mucho de este artículo en mi pasado viaje a Estados Unidos. Los dos vuelos transatlánticos grandes fueron en un Boeing 767 que tenía las alas completamente planas.
RinzeWind
10 Nov 10 at 23:09
@Leyre Martín:
Por eso, a la respuesta «where are you from?», siempre respondo «Northern Spain». Algunos reconocen la referencia 😉
Respecto a los First Class, pueden desembarcar los primeros… pero aguantan el trasiego de clase turista, con sus maletas, mochilones y similares, así que no entiendo por qué están ahí 😳 ¿Quizás para separarlos del ruido de los motores?
@RinzeWind:
No les verás winglets porque no son las soluciones más eficientes para largo radio: el winglet es mejor para aviones con muchos ciclos y pocas horas (vuelos intracontinentales) que para lo contrario, pocos ciclos pero muy largos (transoceánicos). No obstante, las series nuevas (-400) sí que llevan raked wingtips, así que si volaste con Delta o Continental, podían tenerlos (no así American).
EC-JPR
11 Nov 10 at 16:08
Sobre todo, recordad siempre que: palanca atras, sube, palanca adelante, baja. Esencial.
lluisVolador
3 Dic 10 at 10:49
@lluisVolador:
Excepto si la mantienes atrás, que entonces bajas otra vez 😉 Ya conoces las reglas del aire: «Si empujas la palanca de mando hacia adelante, las casitas se hacen más grandes. Si tiras de ella hacia atrás, se hacen más pequeñas. Salvo que mantengas la palanca totalmente atrás: entonces las casas se hacen grandes otra vez.»
EC-JPR
5 Dic 10 at 00:52
Un dia das una vuelta por microsiervos y acabas aqui…
Primero, felicidades EC-JPR, el articulo esta chulo.
Solo un par de cosillas…
Uno de los objetivos principales de los winglets es la reduccion de la resistencia inducida ya que uno de los componentes de dicha resistencia lo producen los torbellinos de borde, asi, reduciendo estos reducimos dicha resistencia inducida.
Otra cosilla que me gustaria comentar es que el peso de los winglets no debe ser problema, por lo menos en vuelo. Sin estos dispositivos y en un mundo ideal el ala en los extremos no sustenta, al ponerle los winglets varias la distribucion de sustentacion y en los bordes aparece una componente, que aunque pequeña, existe. Esto produce un momento flector en el encastre que es unos de los problemas de la instalacion de winglets, es decir hay que reforzar el encastre del ala.
Del tema de la fatiga… paso palabra.
Alehop
5 Dic 10 at 21:38
Después de todo, parece que Danup estaba en lo cierto.
Iñaki
17 Dic 10 at 11:30
@Alehop:
Hombre, habría sido más raro acabar en xvideos 😛 Muchas gracias por el halago 🙂 Lo de la resistencia inducida está en el artículo (qué susto, al leerte pensé que lo había omitido), y en cuanto a su peso, tienes toda la razón en vuelo, pero en tierra siguen siendo un peso con un gran brazo de palanca. Vamos, como si fuesen un tanque de punta de ala, que se llena y se vacía en cada aterrizaje: de ahí que aumenten la fatiga (lo que ya no sé es en qué magnitud).
@Iñaki:
Pues… a riesgo de discrepar con el gran Yuri, pero en una primer lectura hay un par de cosas que no me acaban de cuadrar. Tengo que releer los comentarios, pero no es cierto lo de «un avión en invertido no puede volar»: el B707 tenía un perfil asimétrico y, no obstante, pudo hacer un invertido durante una demostración a clientes en los 60 (cuestión de ponerle más ganas y mirar con el morro para arriba). Asimismo, tampoco es completamente cierto que la sustentación dependa sólo del AoA, pues un perfil asimétrico sí genera sustentación con ángulo de ataque 0. Tendré que preguntarle, a ver dónde estoy confundido.
EC-JPR
17 Dic 10 at 13:54
Yuri no dice que «un avión en invertido no puede volar». Todo lo contrario: como puede volar en invertido, la explicaciones vía Venturi o Bernoulli no explican este hecho. La que da Yuri, en cambio, sí. No le veo ningún agujero. Además, la referencia que da es difícilmente mejorable: «David F. Anderson (que, además de físico retirado en el Laboratorio Nacional Fermi y el CERN, es piloto y entusiasta de la aviación) y Scott Eberhard, doctor en tecnología aeroespacial y diseñador para Boeing».
Con respecto a tu objeción, que el ángulo de ataque sea 0 no significa que no haya downwash. Según lo veo yo, precisamente los perfiles se hacen asimétricos para que exista downwash, y por tanto, sustentación, con ángulo de ataque 0. De otra forma, habría que volar «cuesta arriba» siempre. 🙂
Iñaki
17 Dic 10 at 19:37
@Iñaki:
Lo dicho, tengo que leerlo a conciencia y no en diagonal… A ver si este domingo cae 😳
EC-JPR
17 Dic 10 at 19:41
Wowwwwwww… explicación perfecta! Muy buena página ^^
sesen
26 Ene 11 at 13:16
Mira,soy mucho más ignorante de lo que te puedas imaginar sobre este tema.Pero a pesar del corto tiempo que pasó desde que descubrí a los Winglets,todavía estoy maravillado…por decírtelo de alguna manera, sobre todo lo que se puede conocer de este tema.Estoy lejos de emitir un concepto propio. Solo me queda felicitarte por tus conocimientos y la forma tan clara en que los transmitís.Por lo pronto y hasta saber más,a mi me atraparon su elegancia,sus diferentes diseños…….humildemente.
Un fuerte abrazo y hasta pronto!!!
Tatalisa
12 Ene 12 at 00:40
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http://www.youtube.com/watch?v=d2VGUiAeBKU
aolveraq
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