Todo piloto conoce a la
perfección que el perfil alar posee un efecto considerable sobre el
comportamiento del ala. Veremos aquí como influye la forma en planta de ala,
la cual es también crítica. Por forma en planta significamos una vista
superior o inferior del ala.
Técnicamente, esta forma es la
distribución de la longitud a lo largo de la envergadura. Un ala rectangular
tiene una cuerda constante, un ala ahusada o decreciente posee una cuerda que
disminuye constantemente hacia la punta.
La manera como está distribuida
la cuerda es el factor que determina la forma en que reparte la sustentación a
lo largo de la envergadura. Esta repartición posee un efecto sobre la
resistencia inducida (resistencia que se genera a causa de la sustentación
debido a los torbellinos generados en la puntera del ala por la diferencia de
presiones extradós - intradós). Así, algunas formas de ala tienen más
resistencia inducida que otras, aunque el área alar total pueda ser la
misma.
Las alas de forma elíptica
poseen la mínima resistencia inducida posible. Este tipo de ala es sin
embargo costosa y difícil de construir. El Spitfire de la Segunda Guerra
Mundial constituye un clásico ejemplo de avión con ala elíptica. A medida que
los aeroplanos se hicieron más complejos y la producción más costosa, el ala
elíptica dio paso al ala ahusada.
Se encontró así que una forma
rectangular o ligeramente ahusada sería casi tan eficiente como la elíptica y
mucho más fácil de construir. En primera instancia las alas ahusadas
parecieron ser las ideales.
La carga alar a lo largo de la
envergadura no es constante y va decreciendo hacia la punta del ala. La figura
1 muestra la distribución típica de carga sobre la semi-envergadura de un ala;
es decir, desde la raíz o encastre hasta la punta. Las tensiones de flexión
sobre el ala se incrementan desde la punta hacia el interior en dirección de
la raíz. Los largueros deberán ser lo suficientemente resistentes como para
soportar las tensiones de la parte interior del ala, particularmente si la
misma es de tipo cantilever (tipo de ala cuya estructura se encuentra tomada
al fuselaje como una viga empotrada en una pared).
Si
un ala es ahusada en la longitud de la cuerda, se requerirá menos estructura
portante en las puntas y en la parte interior. Esto da como resultado un
ahorro de peso estructural, lo cual es siempre una de las premisas
fundamentales en el diseño de una aeronave. Por otro lado, ahusando el espesor
del ala al mismo tiempo que la cuerda, el ala resulta ser mucho más esbelta.
Hasta aquí el ala ahusada pareciera ser la mejor selección. Tiene, sin
embargo, algunas desventajas y una de ella es el comportamiento durante la
pérdida de sustentación.
Este
fenómeno requiere una explicación aparte. Un ala no entra en pérdida en forma
simultánea a lo largo de toda su envergadura. Ciertos sectores del ala entran
en pérdida primero. La pérdida progresa desde estos sectores, hasta que ha
entrado en pérdida un área suficientemente grande que hace que aparezca
abruptamente “la pérdida de sustentación” y que el peso del aeroplano no pueda
ser soportado. Aún así, algunas secciones del ala no han entrado
completamente en pérdida.
La
razón para esta pérdida de sustentación no homogénea es que el ángulo de
ataque efectivo de cada sección del ala es diferente a lo largo de la
envergadura de la misma. El origen de esta variación es la distribución del
torbellino descendente (“downwash”) causado a su vez por la manera en la cual
se genera el vórtice de la punta del ala. Éste a su vez depende de la forma en
planta del ala. Así, vemos que la referida forma determina la distribución del
ángulo de ataque efectivo a lo largo de la envergadura.
La
figura 2 muestra la distribución del ángulo de ataque efectivo a lo largo de
la envergadura para alas de tipo rectangular, ligeramente ahusadas, muy
ahusadas y elípticas. Nótese que para un ala elíptica perfecta el ángulo de
ataque efectivo es constante. Para una rectangular el máximo ángulo de ataque
está en la raíz o encastre y para una ahusada está hacia afuera mucho más
cerca de la punta cuanto más ahusada es. A medida que el ala va incrementado
su ángulo de ataque, la sección con mayor ángulo de ataque efectivo llegará
primeramente al ángulo de pérdida y a partir de allí comenzará la misma.
Figura
2. Distribución del ángulo de ataque efectivo sobre la envergadura.
La figura 3 muestra, para las
distintas configuraciones alares, las zonas en las cuales se inicia la pérdida
y como ésta va progresando. Las alas ahusadas comienzan a entrar en pérdida en
la parte externa. Esto es, donde usualmente se halla ubicado el alerón, de tal
manera que con esta porción del ala en pérdida y con la sección interior aún
en vuelo se anula el control del alabeo, sobre todo en alas muy ahusadas.
Fig.3.
Modelo de la pérdida de sustentación para diferentes formas en planta sin
torsión.
Esta situación puede ser de lo
más embarazosa si se está por iniciar una maniobra de enderezamiento durante
un aterrizaje con fuertes ráfagas de viento; surge por lo tanto la pregunta:
¿Cómo diseñar un aeroplano seguro si el mismo posee alas ahusadas? Hay varias
formas de mantener el alerón en “vuelo”, tal como una ranura enfrente del
mismo o la instalación de “bandas o tiras de pérdidas” en la zona superior
interna del ala como para forzar que esta parte entre en pérdida antes.
Cualquiera de estos dos métodos reduce la eficiencia del ala. Las ranuras
adicionan resistencia al avance. Forzar una pérdida de sustentación aún sobre
un sector del ala, termina por subir la velocidad de pérdida por encima de lo
que realmente podría ser. La manera más usual de solucionar este problema
consiste en hacer que los ángulos de ataque de cada uno de los perfiles que
componen el ala sean diferentes, dando la sección de la punta un ángulo de
ataque menor que el de la raíz.
Esta torsión o giro relativo de
las cuerdas se suele hacer gradualmente desde la raíz a la punta del ala. De
esta manera se consigue que las secciones interiores lleguen al ángulo de
pérdida primero. Este artilugio se muestra en la Figura 4 y se denomina
“Washout” (corrimiento).
Pareciera ser un remedio
bastante sencillo, sin embargo origina que algunas secciones se hallen en un
ángulo de ataque distinto que el óptimo (el ángulo en que la sustentación es
máxima y la resistencia al avance mínima) con lo cual se agrega resistencia
durante el vuelo normal.
Aún el ala elíptica puede
requerir alguna torsión para que entre primero en pérdida la sección interior.
De esta forma se agrega resistencia de perfil, la que en algunos casos podría
llegar a preponderar sobre la reducción de resistencia inducida.
Observando el ala rectangular
vemos que la pérdida de sustentación se inicia en la raíz del ala, es decir la
zona donde es más deseable. Hay algo muy importante en favor del ala
rectangular y es que todas las costillas son de igual tamaño, pudiendo ser
estampadas por la misma matriz. La tela del recubrimiento es fácil de cortar y
aplicar, en tanto que el larguero no necesita ser ahusado. En una palabra es
económica.
Entonces, ¿por qué todas las
alas no son rectangulares?, tienen una gran desventaja (además de ser
antiestética) y es el peso innecesario de la porción exterior.
Este es un factor a ser
particularmente tenido en cuenta para grandes aeronaves. Lo que puede hacerse,
como solución de compromiso, es que el ala sea rectangular en la parte interna
y ahusada en la externa. Otro campo donde el peso adicional de un ala
totalmente rectangular tiene su influencia es el vuelo a altitudes elevadas.
Aquí la resistencia inducida es una porción significativa de la resistencia
total. La resistencia inducida es la única afectada por el peso (la
resistencia inducida es proporcional al coeficiente de sustentación al
cuadrado).
Así, el aeroplano está diseñado
para crucero a altitud elevada, la mayor resistencia inducida del ala
rectangular puede invalidar la reducción en la resistencia parásita resultante
de un menor requerimiento de torsión.
Lo que se ha discutido hasta el
momento como torsión del ala o “washout” es lo que se denomina torsión
geométrica. Esta es realmente una torsión física del ala. Hay otra “treta”
usada por los diseñadores, conocida como torsión aerodinámica. Esta no es
realmente una torsión, sino un cambio en el tipo de perfil a lo largo de la
envergadura.
Cerca de la punta del ala se
emplea un perfil que entra en pérdida a mayor ángulo de ataque que el
instalado hacia el interior de la misma. De esta manera las secciones
interiores alcanzarán su ángulo de pérdida con anterioridad a la punta. Esto
se consigue aumentando progresivamente la curvatura de los perfiles desde la
raíz hacia la punta del ala, de forma de incrementar el coeficiente de
sustentación máximo de las puntas. El efecto obtenido es el mismo que el de la
torsión de allí su denominación “torsión aerodinámica”.
La torsión aerodinámica,
comparativamente con la torsión geométrica, da generalmente como resultado una
menor resistencia en crucero para las secciones externas. Sin embargo complica
el diseño y por lo tanto el proceso de producción. En aeroplanos de alta
performance esta complicación puede llegar a ser justificada.
A veces, en el caso de alas muy
ahusadas se emplea una combinación de torsión aerodinámica y geométrica. Con
frecuencia, en la mayoría de las alas rectangulares se introduce algo de
torsión geométrica. Este es un factor de seguridad adicional, puesto que la
mayoría de los aeroplanos de ala rectangular se utilizan para entrenamiento.
El grado de torsión no es tan grande como el requerido en un ala ahusada.
Luego de toda esta discusión,
vendrá la pregunta ¿cuál es la mejor forma en planta de un ala? Todo depende
del objetivo primordial del diseño de la aeronave. Para aeroplanos de
entrenamiento y aeroplanos privados de precio competitivo se puede elegir el
ala rectangular, la que es más económica y con mejores características de
pérdidas de sustentación. Por otro lado, los aeroplanos para ejecutivos y los
utilitarios puede que no sean capaces de tolerar el peso adicional y la
resistencia inducida extra que implican las alas rectangulares. Para este
propósito el ala ahusada puede tener más ventajas que desventajas.
El diseño de aeronaves implica
un complejo sistema de “trueques e intercambios”. Para obtener ciertas
características deseables se deben sacrificar otras características. Por
ejemplo, una alta velocidad de crucero puede trocarse con una corta distancia
de despegue, un largo alcance se puede intercambiar por una mayor capacidad de
carga. Este concepto no solo involucra performance, sino muchas otras
consideraciones, tales como costo inicial, costos de operación, mantenimiento
y otros. El primer trabajo de un diseñador es decidir cuales rubros son los
más importantes para el aeroplano bajo consideración.
Si el ala de un avión es gruesa
o esbelta, corta o larga, hay que estar persuadido de que la misma no es el
resultado del ancho del tablero de dibujo del proyectista ni del capricho de
la esposa del presidente de la compañía. La misma es probablemente una
resultante del diseño optimizado para el tipo de vuelo para el cual el
aeroplano está construido.
