Que son los flaps?

El accidente aéreo del vuelo de Spanair JK5022 como consecuencia de no desplegar los flaps ha generado la incógnita del despegue y aterrizaje de los aviones. En este post explico brevemente y con imágenes porque vuelan los aviones y de la importancia de los flaps. Keywords: flaps, sustentación ,resistencia, velocidad.

La fuerza aerodinámica sobre un avión se puede dividir en cuatro componentes principales: sustentación, resistencia, peso y tracción. La resistencia o arrastre es la fuerza en la dirección del flujo del viento que se aproxima y la sustentación es la fuerza perpendicular al flujo.

fuerzas que actuan sobre un avión

Cualquier cuerpo colocado en una corriente móvil experimenta una resistencia. En cambio las fuerzas de sustentación solo aparecen si existe asimetría en el objeto. Esta asimetría puede estar causada por el cuerpo o porque el cuerpo y el flujo de corriente no están alienados. El ángulo de lo alineación se conoce como el ángulo de ataque. El ala de un avión está sometida por supuesto a una resistencia y gracias a su diseño asimétrico también está sometida a una sustentación. Los flaps añaden más asimetría y por tanto mayor sustentación en el ala.

Para entender cómo se genera esta sustentación en el ala pueden ver en este mismo blog el post “Velocidad de pitot en los aviones”. Debido a la construcción asimétrica del ala el aire fluye a mayor velocidad por encima que por debajo y esta diferencia de velocidad proporciona una variación de presión en el ala que la sustenta según la ecuación siguiente

Observamos que la variación de presión (sustentación) está relacionada directamente con la densidad del aire y con la variación del cuadrado de la velocidad. La velocidad de sustentación depende de la densidad del aire, a mayor densidad más moléculas y a menor densidad menos moléculas. En definitiva, la sustentación del avión depende de la cantidad de moléculas que fluyen por el ala. Cuantas más moléculas mayor sustentación.

fuerzas sobre un ala

La sustentación y la resistencia son consecuencia de las fuerzas de presión y los esfuerzos cortantes que actúan sobre el ala. La sustentación es ocasionada sobre todo por la presión, mientras que la resistencia es causada principalmente por la fuerza del aire que golpea el ala (los esfuerzos cortantes). La suma vectorial de estas dos fuerzas origina una fuerza neta sobre el ala hacia arriba, es la resultante.

Muchas veces la dificultad de entender porque vuela un avión, es decir, porque se sustenta el ala en el aire, es consecuencia de no entender los dos conceptos de resistencia y sustentación. Veamos cada uno por separado.

La resistencia sobre el ala de un avión proviene de la forma y de la fricción, la generan la presión y el esfuerzo cortante. La resistencia que proviene de la presión se conoce como resistencia de forma, ya que depende de la forma del cuerpo. La resistencia debida al esfuerzo cortante se conoce como resistencia de fricción. Depende básicamente de la cantidad de superficie en contacto con el fluido. Es parecido al rozamiento del neumático de un coche cuando frena. La forma aerodinámica del ala de un avión se diseña para que fundamentalmente la resistencia sea por fricción. Cuando el avión tiene que maniobrar, se extienden los alerones sobre un ala, se produce un aumento de la resistencia por presión en esta ala y la diferencia de resistencia entre un ala y la otra provoca el giro del avión. Por supuesto, también hay el timón de cola, etc.

Bien, vamos por la sustentación. Como he dicho esta solo aparece si existe asimetría, como en el ala de un avión, que sigue un perfil arqueado. La sustentación es el resultado de la diferencia de presión entre el área del perfil superior y el inferior.

Perfil de flujo sobre un ala

flujo en 3D

flujo 3D en el borde de ataque del ala

Claro, que hay que añadir otro efecto sin el cual no se entiende la sustentación, es la viscosidad del aire. En principio los cálculos de sustentación que se basan en la suposición de un fluido sin viscosidad son aceptables, siempre y cuando se tenga en cuenta un pequeño efecto de viscosidad. Sin este pequeño efecto no hay sustentación. Esto se conoce como condición de Kutta-Joukowsky, nos dice que el flujo superior debe tener, en promedio, una velocidad mayor que el fluido inferior. Puesto que esta pequeña viscosidad provoca que las moléculas de aire situadas encima del ala se vean arrastradas a mayor velocidad, ya que tienen que encontrarse con sus compañeras de debajo el ala. El perfil del ala mantiene un recorrido más largo en la parte superior, si las moléculas que han chocado contra la parte frontal del ala tienen que encontrarse al mismo tiempo al borde de salida, las moléculas de la parte superior tiene que darse más prisa. Si no fuera así, se generaría un vacio en el fluido superior del borde de salida del ala, que tendrían que llenar las moléculas inferiores llegando a fluir hacia atrás.

Un perfil simétrico con un ángulo de ataque cero no genera sustentación, pues en este caso la velocidad de las moléculas de aire es el mismo en la parte superior que en la inferior.

Imagen de los flaps en un Airbus 340.

Flaps de un A-340

¿Pero que ocurre cuando un avión despega o aterriza?.

Si nos fijamos en la primera ecuación, la fuerza de la sustentación varia con el cuadrado de la velocidad, en el momento del despegue y el aterrizaje la velocidad es mucho menor que en pleno vuelo. Entonces la sustentación también es mucho más baja en el despegue y en aterrizaje.

Para aumentar la sustentación a velocidades bajas hay dos maneras. Una forma es aumentar el ángulo de ataque. Durante el aterrizaje, el piloto eleva la parte frontal del avión y baja la parte posterior. Claro que si la inclinación es demasiado elevada entonces las alas entran en una perdida repentina de sustentación y se produce un aterrizaje violento. Para evitar todos estos problemas están los flaps y los alerones de borde de ataque.

Los flaps aumentan el ángulo de ataque efectivo y la superficie de ala del avión, incrementando así la sustentación, en definitiva lo que hacen es aumentar la asimetría del ala respecto el flujo de aire. Los alerones de borde de ataque se encuentran en la cara frontal del ala y ayudan a producir un chorro de aire de movimiento rápido sobre la superficie superior, así se produce una presión más baja en la superficie superior del ala evitando que el ala entre en perdida.

Los flaps y los alerones de borde de ataque aumentan la sustentación pero también aumentan la resistencia, por eso solo se utilizan en el despegue y el aterrizaje.

Veamos con más detalle los flaps, fijándose en la imagen siguiente, los flaps aumentan la sustentación y la resistencia. La resultante de las fuerzas sobre el ala es mayor que sin los flaps, comparen con la primera imagen del ala. Observen como varia el flujo del aire a traves del ala cuando tiene los flaps desplegados.