El empuje combate la resistencia

La resistencia es el precio de moverse a través del aire. Los ingenieros aeronáuticos la dividen en dos tipos.

1. Resistencia parásita. Proviene de la forma y de la superficie: la resistencia de presión del fuselaje, los neumáticos y los soportes al empujar el aire a un lado, y la fricción de la superficie del aire rozando contra la piel del avión. Se comporta como la sustentación: D_p = ½ρV²S × C_D0. Aumenta con el cuadrado de la velocidad.

2. Resistencia inducida. Este es el precio de generar sustentación. Un ala de envergadura finita empuja el aire hacia abajo, y el aire se enrolla alrededor de las puntas de las alas formando vórtices de punta de ala. Esa energía desperdiciada aparece como una fuerza hacia atrás: D_i = ½ρV²S × C_L² / (π e AR). Aquí AR es la relación de aspecto (envergadura² dividida por el área del ala; las alas largas y estrechas tienen un AR alto) y e es un factor de eficiencia menor que 1.

Juntas, el coeficiente de resistencia total es C_D = C_D0 + C_L² / (π e AR).

Los números del juguete. El avión de juguete tiene C_D0 = 0.03, e = 0.8 y AR = 7.5 (valores didácticos). En vuelo nivelado L = W, por lo que C_L = 2W / (ρV²S) y disminuye a medida que aumenta la velocidad. Esto significa que la resistencia inducida baja con la velocidad (varía como 1/V²), mientras que la resistencia parásita sube con la velocidad (V²). El avión de juguete da:

• 25 m/s: parásita 184 N, inducida 834 N, total aproximadamente 1,020 N. El vuelo lento está dominado por la resistencia inducida.
• 36.5 m/s: parásita 392 N, inducida 391 N, total aproximadamente 783 N. Esta es la resistencia mínima.
• 50 m/s: parásita 735 N, inducida 208 N, total aproximadamente 943 N.
• 80 m/s: parásita 1,882 N, inducida 81 N, total aproximadamente 1,963 N. El vuelo rápido está dominado por la resistencia parásita.

Si graficas la resistencia total contra la velocidad, obtienes una curva en forma de U. En el fondo de la U, la resistencia inducida y la parásita son iguales. Esa es la velocidad de la mejor L/D: a 36.5 m/s el avión tiene L/D = 9,810 / 783 ≈ 12.5. Para un avión a reacción, esta velocidad está cerca de la que da el alcance más largo, aunque las velocidades óptimas exactas también dependen del motor. Un piloto de planeador vuela cerca de ella para cubrir la mayor distancia por cada metro de altura perdida (Mundo 6).

Para qué sirve el motor. En vuelo estable, el empuje debe ser igual a la resistencia, por lo que el empuje se determina por la curva de resistencia. Con la mejor relación L/D, el avión de juguete necesita solo unos 785 N de empuje para soportar un peso de 9.810 N. Si vuelas más lento o más rápido, el empuje necesario vuelve a aumentar.

Cómo reducir la resistencia. Las formas lisas y el tren de aterrizaje retráctil reducen la resistencia parásita. Un ala más larga y estrecha (mayor relación de aspecto) reduce la resistencia inducida, ya que D_i es inversamente proporcional a AR. Por eso los planeadores tienen alas tan largas y los aviones de línea tienen winglets (Mundo 7). Los motores se dividen en dos familias principales: hélices (que aceleran una gran cantidad de aire un poco) y turbojets (una cantidad menor, pero mucho más rápido). El Mundo 4 explica cómo un turbojet genera empuje.