Cómo vuela un avión (sin ser piloto)
Piénsalo un segundo: un avión comercial grande puede pesar hasta 400 toneladas, más o menos lo mismo que 60 elefantes adultos. Y sin embargo, ahí va, flotando a 11 kilómetros de altura como si nada. ¿Cómo es posible que cientos de toneladas de metal no se caigan del cielo?
La respuesta es una de las historias más bonitas de la física: no se trata de fuerza bruta, sino de forma inteligente. Un avión no «pelea» contra la gravedad; la engaña con el diseño de sus alas. Vamos a ver cómo, paso a paso y sin fórmulas.
Las 4 fuerzas que deciden todo
Todo lo que vuela, desde un avión hasta un pájaro, está en medio de una pelea constante entre cuatro fuerzas. Dos tiran hacia arriba y adelante, dos tiran hacia abajo y atrás:
La sustentación es la fuerza que empuja al avión hacia arriba. Es la heroína de esta historia y la generan las alas. El peso es la gravedad tirando del avión hacia abajo: todo lo que pesa la aeronave, los pasajeros, el equipaje y el combustible. El empuje es la fuerza que producen los motores hacia adelante. Y la resistencia es el aire oponiéndose al avance, como cuando sacas la mano por la ventana del coche en movimiento.
Volar, en esencia, es un equilibrio: si la sustentación supera al peso, el avión sube; si el empuje supera a la resistencia, acelera. Cuando las cuatro se equilibran, el avión vuela recto y nivelado, en crucero, gastando el mínimo esfuerzo. Todo lo que hace un piloto es administrar ese equilibrio.
El secreto está en la forma del ala
Aquí viene la parte ingeniosa. Si miras un ala de avión de perfil, verás que no es plana: tiene una forma especial, curva por arriba y más plana por abajo. A esa forma se le llama perfil alar, y es el corazón del vuelo.
Cuando el avión avanza, el aire se divide al llegar al ala: una parte pasa por encima y otra por debajo. Como la parte de arriba es curva, el aire tiene que recorrer más distancia por ahí, así que viaja más rápido. Y aquí entra un principio descubierto en 1738 por el matemático Daniel Bernoulli: cuando un fluido (como el aire) se mueve más rápido, su presión baja.
Resultado: hay menos presión arriba del ala que abajo, y esa diferencia de presión «chupa» al ala hacia arriba. Esa es la sustentación. A eso se suma otro efecto, explicado por la tercera ley de Newton: el ala desvía el aire hacia abajo, y como reacción el aire empuja al ala hacia arriba. Es el mismo principio por el que un globo sale disparado si lo sueltas sin amarrar.
¿Y qué tan rápido hay que ir? Mucho. Un avión comercial necesita alcanzar entre 250 y 300 kilómetros por hora para despegar. Por eso las pistas son tan largas: el avión necesita esa distancia para acelerar hasta la velocidad donde las alas generan suficiente sustentación para levantar cientos de toneladas.
Despegar y aterrizar: los momentos críticos
El despegue es el momento de mayor esfuerzo. Los motores van a máxima potencia, el avión acelera por la pista y, al llegar a la velocidad de rotación, el piloto levanta suavemente la nariz. En ese instante, el ángulo del ala respecto al aire aumenta y la sustentación se dispara: el avión se despega del suelo.
Para ayudar en estos momentos lentos, las alas tienen partes móviles: los flaps. Son secciones del borde trasero del ala que se extienden hacia abajo durante el despegue y el aterrizaje, haciendo el ala más grande y curva. Es como si el avión sacara «alas extra» justo cuando más las necesita, y las guardara cuando ya vuela rápido.
El aterrizaje es la maniobra inversa y la más delicada: hay que perder altura y velocidad al mismo tiempo, con precisión de metros. Por eso los pilotos dicen que despegar es opcional, pero aterrizar es obligatorio. Una vez en tierra, unos paneles llamados spoilers se levantan sobre las alas para «matar» la sustentación a propósito y que el avión se quede bien pegado a la pista al frenar.
Cómo se dirige un avión en el aire
Sin volante ni manubrio, ¿cómo gira un avión? Con pequeñas superficies móviles en las alas y la cola, que funcionan desviando el aire:
Los alerones, en los bordes traseros de las alas, controlan el giro lateral (el «alabeo»): si el piloto quiere girar a la derecha, el alerón derecho sube y el izquierdo baja, y el avión se inclina hacia la derecha, como un ciclista en una curva. Los elevadores, en la cola horizontal, controlan si la nariz sube o baja. Y el timón de dirección, en la cola vertical, controla el movimiento lateral de la nariz, como el timón de un barco.
Todo esto lo mueve el piloto con los controles, pero en los aviones modernos hay computadoras que ayudan: el famoso piloto automático puede mantener el rumbo, la altura y la velocidad durante horas. Aun así, el despegue y el aterrizaje los hacen humanos casi siempre. Por cierto, esos sistemas de ayuda son un gran ejemplo de Qué es la inteligencia artificial, explicado para todos: software que toma decisiones en tiempo real.
Los hermanos que lo hicieron primero
El primer vuelo con motor de la historia duró 12 segundos. Fue el 17 de diciembre de 1903, en Kitty Hawk, Carolina del Norte. Orville Wright se subió a un aparato de madera y tela llamado Flyer I, y recorrió 36.5 metros en el aire: menos de lo que mide la envergadura de un avión moderno.
Lo increíble es que los hermanos Wright no eran científicos famosos: eran mecánicos de bicicletas. Su gran aporte no fue el motor (bastante mediocre, de hecho), sino entender el control: diseñaron un sistema para que el piloto pudiera dirigir el aparato en el aire, algo que nadie había logrado. Sin control, volar unos metros no sirve de nada.
De esos 12 segundos en 1903 a los vuelos intercontinentales de hoy pasó poco más de un siglo. En 1903 nadie imaginaba que un día 500 personas cruzarían el Atlántico en 8 horas, a 900 kilómetros por hora, cenando y viendo películas.
Datos chidos de los aviones
- Un avión comercial vuela a unos 10,700 metros de altura (35,000 pies). Ahí arriba el aire es tan delgado y frío (unos -50 °C) que hay menos resistencia y los motores rinden mejor. Por eso vuelan tan alto, no por las vistas.
- La turbulencia se siente feo, pero los aviones están diseñados para aguantar fuerzas mucho mayores que cualquier turbulencia normal. Es incómodo, no peligroso: es como un bache en la carretera, no como un precipicio.
- El avión de pasajeros más grande del mundo, el Airbus A380, puede llevar más de 800 personas y pesa al despegue hasta 575 toneladas. Y aun así, vuela con la misma física que el avioncito de los Wright.
- Las alas de un avión moderno son tan eficientes que, si se apagaran los motores en crucero, el avión podría planear más de 150 kilómetros antes de tocar tierra. Por eso un fallo de motor, aunque serio, rara vez es catastrófico de inmediato.
- El Concorde, el avión supersónico de pasajeros, volaba a más del doble de la velocidad del sonido y cruzaba el Atlántico en 3 horas y media. Dejó de operar en 2003, y desde entonces ningún avión comercial lo ha igualado en velocidad.
La próxima vez que veas un avión despegar, fíjate en las alas: esa curva aparentemente simple es el resultado de más de un siglo de ingeniería refinando una idea. Cientos de toneladas flotando no por fuerza bruta, sino por entender cómo se mueve el aire. Eso sí es chido.