¿Por qué mi avión tiene hélices?

En uno de los comentarios del primer post se preguntaba por la utilidad de los motores, ya que un avión puede planear. En este artículo se intentará explicar la utilidad de los motores de un avión, y las preguntas que se hacen los pasajeros sobre ellos al subirse a un avión.

En efecto, un avión de pasajeros puede planear sin motores, y además hacerlo durante un tiempo aceptable de tiempo, digamos para mantener la calma y la seguridad del vuelo. Siendo así, los motores parecen algo secundario en el vuelo, pero no lo es. Los motores, sea el avión que sea, son igual de importantes que el resto de la estructura del avión –en muchos aviones, para hacernos una idea, el coste de los motores ronda el 40% del total, hasta el 50% en algunos casos-. Los cometidos principales de los mismos son obvios: dar al avión el empuje (fuerza impulsiva) necesario para ponerlo en vuelo; esto es, en una primera fase, la fuerza necesaria para acelerar el avión desde cero hasta la velocidad de despegue en una distancia prudencialmente corta (en el despegue es el único momento que los motores trabajan a máxima potencia). En una segunda fase, la mayor parte del tiempo, los motores únicamente contrarrestan la fuerza de resistencia, para hacer que el avión se desplace a su velocidad de crucero. A parte de estos dos cometidos, desde el despegue hasta la altitud de crucero el avión también hace uso de los motores, obviamente.

-Bien, pero esto no responde a la pregunta inicial, que el avión sin motores sigue volando- Cierto, así es. Como se ha dicho, los aviones están concebidos para planear, ya que ese hecho también les permite gastar menos combustible en condiciones normales –Se busca que la relación entre sustentación (L) y Resistencia (D) se lo mayor posible. Es lo que en el argot aeronáutico se conoce como eficiencia aerodinámica (E) y, sin profundizar mucho, diremos que el ángulo de descenso del avión depende directamente de esta eficiencia, que suele ser del orden de 16, esto es, la fuerza de sustentación es 16 veces mayor que la de resistencia- Con esta eficiencia típica, para hacernos una idea, y en términos generales, un avión que se quede sin motores en Madid podría llegar a A Coruña planeando. –Entonces…- Espera. El problema reside que esa eficiencia es en condiciones irreales, con todo perfecto, sin rachas de viento, y el avión alineado con la pista de A Coruña, por decirlo de alguna manera. En cuanto el avión necesita maniobrar, siempre pierde velocidad –y por lo tanto, como explicamos en el anterior post, sustentación- más rápido de lo deseado  y cae más rápido. Es por esto por lo que los motores se hacen imprescindibles, por la capacidad de maniobra del avión.

Otra de las preguntas que se hace mucha gente es por qué no todos los aviones llevan turbinas, ya que algunos llevan hélices. Y también es generalizado el planteamiento de que un avión con hélices es… peor. Este es un tema complicado de entender, pero vamos a intentar simplificarlo al máximo.

Lo primero que debemos saber es que cada propulsor, hélice o turborreactor-siendo estrictos, hélice o tobera-, tiene su mercado, al igual que cada motor, ya sea turbina o motor alternativo. Para seguir un orden lógico, lo haremos según la historia.

Al principio los aviones volaban relativamente lentos, con motores alternativos y hélices, por razones entrelazadas: la aerodinámica no estaba muy optimizada y no se requerían propulsores muy potentes. Los motores alternativos son, por ejemplo, los motores de un coche, que convierten un movimiento alternativo (el de los pistones dentro de los cilindros) en un movimiento rotatorio (el de las ruedas en los coches o el de la hélice en los aviones). Son motores pesados, pero con un gran rendimiento a bajas velocidades. Más tarde la tecnología avanzó hacia un nuevo modo de propulsión, los turborreactores, que junto con una nueva manera de entender las estructuras (la aparición de estructuras monocasco), hicieron viable que se pudiera volar a velocidades mucho más altas.

–Espera espera, qué es eso del rendimiento- El rendimiento es la clave de todo esto, la razón por la cual se eligen unos u otros motores, unos u otros propulsores. Para simplificar (mucho), el rendimiento es la relación entre la energía que se gasta quemando combustible y la energía que invierto en el movimiento de la aeronave.  

Entonces, en base al rendimiento, es donde está la clave de por qué no todos los aviones llevan turborreactores, ya que parecen más modernas y fiables. La cuestión está en que las turbinas trabajan mejor (tienen mejor rendimiento) cuanto más rápido vamos (esto es, cuanto más rápido entra el aire en el difusor de entrada, lo cual implica más presión a la entrada). Entonces, para aviones de velocidades bajas de operación (trabajos aéreos principalmente, tales como extinción de incendios, fotografía aérea, paracaidismo, remolque de aeroplanos, vigilancia), siempre veréis que van con una o dos hélices, y con motores alternativos. Su velocidad de crucero puede ser sorprendentemente baja, en torno a los 200 km/h en algunas operaciones(Nota 1). Sin embargo, para aviones de pasajeros de larga distancia, siempre veréis que llevan turborreactores, ya que las velocidades de crucero están en torno a los 900 km/h.

-Vale, muy bien, pero el otro día fui de Barajas a Mallorca y me montaron en un avión que no era pequeño y tenía hélices- Ojalá todo fuera perfecto con los turborreactores, pero no es así. EL rendimiento de uno de estos motopropulsores está por debajo de 0,4, o lo que es lo mismo, de toda la energía que nos da el combustible, sólo el 40 % la usamos para mover el avión. En términos estrictos, son unos atentados ecológicos, no tanto por lo que gastan y contaminan, que para transportar tanta gente no es mucho, sino porque, a pesar de ello, se desperdicia mucha energía en forma de calor de los gases  de salida y en forma de velocidad de los gases de salida(Nota 2). Por ello en muchos casos en que la velocidad no ha de ser muy alta, cuando podemos volar a 600 km/h, bien porque el trayecto es corto o porque la carga no son pasajeros, al turborreactor se le acopla una hélice que es la que impulsa el avión. Explicar cómo se le acopla esta hélice se escapa por completo al cometido de este artículo, pero el lector ha de saber que, hasta esa velocidad, es más eficiente tener lo que se denomina un turbohélice que un turborreactor puro, y que a partir de esas velocidades las hélices dejan de ser eficientes debido a la velocidad que se alcanza en las puntas de las palas de las mismas.

Resumiendo, que dependiendo de la velocidad a la que vaya a ir el avión, se le pone un sistema propulsivo u otro, siendo un motor alternativo si la velocidad va a ser inferior a 450 km/h, un turbohélice (oiréis también turboejes, no es estrictamente lo mismo pero esencialmente sí) si la velocidad va a ser entre 450 km/h y 700 km/h y un turborreactor puro si la velocidad de crucero es de unos 900 km/h.

Nota 1: Se dejan al lector dos enlaces donde se pueden ver dos ciclos a velocidades extremadamente bajas.

Otro despegue muy corto

Nota 2: Habréis oído hablar de centrales de ciclo combinado. Estas centrales, comúnmente de generación de energía, no son más que grandes turbinas que generan electricidad, y cuyos gases calientes a la salida se aprovechan para otro paso de generación o para otra industria (por ejemplo, industrias papeleras).

¿Por qué vuelan los aviones?

Una de las cosas más complicadas a la hora de explicar algo es saber de dónde partir, dónde dar por supuesto algo, y dónde decirle al que tienes delante: “Esto te lo tienes que creer”.

Pues bien, creo que la mejor manera de explicar por qué los aviones vuelan es partir de que la velocidad del aire produce fuerzas derivadas de las diferentes presiones que hay por encima y por debajo del avión. -¿Y ya?- Obviamente no, pero para los que quieran indagar más, les recomiendo que echen un vistazo a la Ecuación de Bernoulli.

-A ver, que eso de las presiones yo no lo entiendo muy bien…- Bueno, vamos a hacer un ejercicio práctico. Cuando vamos en un coche y sacamos la mano por la ventanilla, el aire nos la empuja hacia atrás (sobre todo si la sacamos con la palma abierta). Eso es debido a la fuerza que el aire hace sobre nuestra mano. Es algo muy intuitivo, porque nos sucede a diario en nuestra vida. Cuando hace viento nos cuesta más caminar o ir en bicicleta. Son sensaciones que hemos tenido desde siempre, por lo que es probable que no nos planteemos su origen.

-Entonces… ¿los aviones vuelan porque el aire los empuja hacia arriba?- Sí, pero no. Aquí es donde es bueno que se traduzca la ecuación de Bernoulli. Esta ecuación nos dice que, en condiciones ideales (que es lo que nosotros vamos a pensar que ocurre) en una corriente de aire se generan presiones dependiendo de la velocidad del mismo, de modo que en los puntos donde se frena el aire hay mayor presión, y donde se acelera hay menor presión. -Para para, que esto es muy complicado- Bueno, veamos, para entendernos. Como decíamos antes, cuando estás parado en la calle en contra del viento, este te empuja un poco hacia atrás. Podemos pensar que el aire que tenemos justo delante nuestro está casi parado, ya que no nos puede traspasar, por lo que genera una presión mayor que la que genera el aire a nuestra espalda, acelerándose para recuperar la velocidad del viento. Entonces tenemos más presión por delante y menos por detrás, lo cual genera una fuerza hacia atrás nuestro.

-Entonces el aire empuja a los aviones para volar, ¿no?- Bueno, no de la misma manera que a nosotros. Si los aviones volaran sólo por el “empuje” del aire les haría falta un chorro vertical hacia arriba, muy potente. No es el caso. Ese tipo de fuerza es la Resistencia (D), que es la que empuja la mano hacia atrás en el coche. Ahora haz otra prueba, saca la mano por la ventanilla con la palma estirada y hacia abajo; casi no generas resistencia. Si ahora vas girando suavemente la mano notarás como intenta subir hacia arriba. Esa fuerza es la Sustentación (L) y es la que hace volar a los aviones. Si giras mucho la mano surge de nuevo la fuerza hacia atrás, porque aparece de nuevo la Resistencia.

-Pero… la fuerza hacia atrás en mi mano es mucho mayor que la fuerza hacia arriba… y los aviones pesan mucho, ¿no?- Cierto, pero por eso los aviones no son piedras, y tienen la forma que tienen. Ahí es donde entra en juego el ala del avión, diseñada para que esa fuerza de sustentación sea mucho mayor que la fuerza de resistencia. Esto se consigue haciendo que el aire que pasa por encima del ala (extradós) lo haga a una velocidad mucho mayor que la que pasa por debajo (intradós), por lo que debajo del ala hay mucha más presión que encima, generando una fuerza vertical y hacia arriba, que es la que hace que el avión vuele. El diseño de las alas pretende generar la mayor fuerza de sustentación posible generando la mínima resistencia. Para no meternos en muchos detalles, diremos que el aire que pasa por encima del ala tiene más recorrido que hacer que el que pasa por debajo, por lo que debe ir más rápido, generando más presión bajo el ala que sobre ella.

Parece que los aviones vuelan gracias a las alas, que tienen una forma muy característica. La fuerza de sustentación de los aviones depende únicamente de la velocidad del aire respecto a él. Para tener un orden de magnitud, los aviones pueden despegar con velocidades en torno  a los 300 km/h, por lo que si consiguiéramos poner un avión de cara al viento en un huracán, y consiguiéramos que no generara resistencia (que se estuviera quieto respecto a la tierra), este despegaría del suelo verticalmente. Por esta razón, los aviones despegan, siempre que sea posible, con viento de cara, sí, en contra, y aterrizan también con viento de cara.

Una vez entendido esto, que no es trivial y que conviene darle muchas vueltas, podemos empezar a entender muchas otras cosas que nos preguntamos cuando volamos en avión, sobre todo cerca del ala. Ahí vemos cómo el avión despliega un poco  unas chapas por detrás del ala cuando despega, y las despliega completamente cuando aterriza (los Flaps). También vemos cómo levanta otras chapas por encima del ala al girar o al aterrizar (los Spoilers). También podemos entender por qué un Fórmula uno tiene diferentes alerones dependiendo de los circuitos en que corra. Todo eso, y otras muchas cosas, intentaremos ir explicándololas en este blog.