L’ésser humà s’ha sentit sempre inspirat pel vol de les aus. Aquest desig ja es coneix des de l’Antiga Grècia amb el mite d’Ícar i Dèdal. Més endavant, moltes persones van fer intents per volar, alguns amb més èxit que altres. Com hem aconseguit poder volar i fer avions que volin? Quina és la física del darrere?
Una mica d’història
Leonardo da Vinci (1452-1519) es considera la primera persona a fer un prototip amb cara i ulls d’un aparell volador. Va fer nombrosos estudis dels ocells, pels quals n’estava fascinat. Malauradament, les seves propostes van quedar només al paper. No va ser fins al segle XIX que Clément Ader va fer el primer avió amb el qual va poder recórrer una distància de 50 metres a només 20 centímetres d’altura!
Fins a principis del segle XX la majoria d’aparells eren extremadament lleugers i no disposaven de control ni de propulsió, és a dir, d’un motor. Els germans Wright van ser els qui van aconseguir superar aquests reptes i patenten l’aeronau. El 17 de desembre de 1903 el petit dels dos germans, Orville Wright, aconsegueix el primer vol controlat realitzat amb èxit amb el Wright Flyer I, més pesat que l’aire i propulsat per medis propis. Així i tot, l’any 1906 Alberto Santos Dumont va fer un vol amb el 14-bis, avió que, al contrari que el Wright Flyer I, no necessitava raïls, catapultes ni vent per alçar-se. Això fa que existeixi gran controvèrsia amb quin va ser el primer vol realment exitós.
Les Guerres Mundials suposen un gran avenç en el camp de l’aviació, essent l’era d’or el període entre guerres. I se segueixen desenvolupant fins als avions que coneixem avui en dia i que cada cop ens resulten més quotidians.
Una lluita contra el pes
Els avions de passatgers poden arribar a pesar més de 80 tones. Molts cops se sol pensar que el motor és el que fa volar els avions. Però aquesta afirmació és errònia. Per fer-ho s’ha d’aconseguir batre el pes de l’avió, és a dir, que en comptes d’anar cap avall vagi cap amunt. I com s’aconsegueix? La resposta es troba en l’aerodinàmica de les ales i el principi de Bernoulli.
Probablement tens al cap la forma d’una ala dels avions vista longitudinalment. Però el truc es troba en mirar-la transversalment, com pots veure a la imatge de sota. Si t’hi fixes, la part inferior es troba gairebé paral·lela al terra, mentre que la part superior fa una corba. Això farà que quan s’agafi velocitat la trajectòria de l’aire a la part superior sigui corba.
Aquest disseny farà que l’aire circuli a major velocitat a la part superior de l’ala (part corba) que a la part inferior (part plana). I la velocitat més gran de l’aire a la part superior farà que la pressió en aquesta part sigui més baixa que a la part inferior. Per la diferència de pressions, es dona un desequilibri que dona lloc a la força de sustentació.
Aquest fenomen és el que es coneix com el principi de Bernoulli, el qual descriu com un fluid (l’aire) es mou al llarg d’una línia de corrent (l’ala).
La força de sustentació
Aquesta força de sustentació ha de batre el pes de l’avió per poder fer-lo enlairar. Això comporta que hagi de ser una força extremadament gran. És la que notes amb més intensitat just quan l’avió s’està enlairant, que fa que t’aferris al seient de l’avió.
L’equació que explica la força de sustentació depèn de la densitat de l’aire, de la velocitat de l’avió, la superfície de l’ala i un coeficient de sustentació. El coeficient de sustentació es basa en l’angle de l’atac, que seria l’angle que formen la recta de l’ala amb l’aire incident. Com més gran sigui aquest angle, més velocitat de l’aire a la part superior, menys pressió i per tant més força de sustentació.
Es juga amb l’aerodinàmica de l’aire, l’angle d’atac i la velocitat, donada pels motors, per trobar un equilibri perfecte a l’hora de volar. La força de sustentació és present tota l’estona, encara que anirà variant segons la situació. Per exemple, a l’hora de l’aterratge trobem una força de sustentació menor, però mai de 0 perquè si no l’avió cauria! Se sol guanyar angle d’atac i es perd velocitat, entre altres factors.
Ja per acabar…
Des de sempre que la inspiració de la ciència ha estat la naturalesa. En l’aviació ja hem vist que la inspiració ve de les aus. Però… sabies que el fum també va inspirar ments per elevar-se en l’aire? Aquí també entra en joc la mecànica de fluids, concretament el principi d’Arquimedes, que permet explicar com s’enlaira un globus aerostàtic. Però això ja és una altra història…
Per saber-ne més
L.J.F. (Jo) Hermans – Physics in Daily Life: Why planes fly?
Take Off Briefing – Teoría de la sustentación ¿Por qué vuela un avión?
Jean Baptiste Touchard – ¿Por qué vuelan los aviones?
