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Jueves, 25 septiembre 2014
Aeronáutica

Winglets, descripción y utilidad

Artículo escrito por Carlos Ganado Alcocer, ingeniero aeronáutico.

 

Con frecuencia, es en las crisis cuando mayores innovaciones se producen. La crisis del petróleo de los años 70 no fue una excepción. El elevado precio del combustible dio lugar a que los ingenieros de todas las constructoras de aeronaves se esforzaran por encontrar sistemas para reducir de alguna forma el consumo. De esta manera surgieron los winglets, como solución a la necesidad de ahorrar recursos propulsivos.

 

Los winglets no son ni más ni menos que prolongaciones del ala, por sus extremos, en el plano perpendicular al del ala. En la actualidad prácticamente todos los aviones comerciales de medio-largo alcance disponen de winglets, aunque no fue hasta mediados de los 90 cuando se generalizó su uso. En las siguientes fotos se pueden observar los winglets de algunas aeronaves (figura 1).

 

[Img #22503]

 

Para explicar sus ventajas, en primer lugar es necesario conocer cómo sustenta el ala. En un avión se tienen 4 fuerzas: tracción (generada por los motores), peso (vertical hacia abajo), resistencia  aerodinámica y sustentación. Estas dos últimas son consecuencia de la acción del aire sobre el fuselaje de la aeronave, es decir la fuerza aerodinámica en general no es vertical ni horizontal sino oblicua, dando lugar a que se pueda descomponer en: la componente vertical, la sustentación y la componente horizontal, la resistencia aerodinámica. Este párrafo se ilustra muy bien con la figura 2 que representa un perfil aerodinámico sumido en corriente laminar.

 

[Img #22504]

 

La fuerza de sustentación se crea porque durante el vuelo la presión que ejerce el aire sobre el ala es mayor en el intradós que en el extradós y como resultado se obtiene una fuerza neta vertical hacia arriba que sustenta al avión en el aire y que es directamente proporcional a la velocidad al cuadrado, como se deduce de su expresión matemática:   

[Img #22502]

Donde L= sustentación;   ρ=densidad; S=superficie mojada por el fluido; v= velocidad relativa entre el avión y el fluido; CL= coeficiente de sustentación (que en general depende de la viscosidad del fluido (aire), geometría del ala y otros parámetros menos importantes.

 

La resistencia aerodinámica está formada por la resistencia inducida, que es aquella que es función de la sustentación, y la resistencia parásita que se compone de la fricción por superficie mojada, la de presión y la de onda que se manifiesta a velocidades subsónicas en algunas zonas del extradós del ala (donde se supera la velocidad del sonido). 

 

La ecuación de la cantidad de movimiento o segunda ecuación de Newton viene a decir que los fluidos se mueven pasando de zonas de mayor presión a zonas de menor presión. En lo que nos interesa, las partículas fluidas de los extremos del ala tienden a pasar del intradós al extradós debido a la diferencia de presiones, dando lugar a torbellinos que aumentan la resistencia y por tanto el consumo de los motores. En la siguiente figura se observan los torbellinos que se forman en los extremos del ala (figura 3):

[Img #22505]

 

En este punto es donde aparece la utilidad de los winglets. Como se ha explicado antes, se trata de prolongaciones del ala que se hallan en el plano perpendicular al del ala. Estas prolongaciones, como el resto del ala, sufren los efectos aerodinámicos de la aparición de una fuerza aerodinámica oblicua, que tendrá una componente horizontal y otra vertical. Si se diseña adecuadamente el dispositivo, se puede conseguir una componente propulsiva mientras que la otra componente se anula, al calcular la resultante de las fuerzas, con el otro winglet al ser simétrico el avión, como se observa en la figura 4. Esta pequeña fuerza propulsiva es la responsable de que al usar winglets se ahorre entre un 3% y un 5% de combustible respecto a la no utilización de los mismos, colaborando también con la protección de la capa de ozono al reducirse las emisiones de CO2, NO2 y NO3. Otro efecto beneficioso es que mejora la estabilidad de la aeronave.

[Img #22506]

 

Otra forma de explicar las ventajas de los winglets es haciendo referencia a que estos dispositivos suavizan la distribución de sustentación cerca de los extremos del ala, disminuyendo así la intensidad de los torbellinos que se forman, y reduciendo de esta forma la resistencia aerodinámica.


En el diseño de winglets hay que tener cuidado ya que pueden tener efectos perjudiciales o contrarios a los buscados. Así, se pueden tener problemas de exceso de peso, con lo que los motores tendrán que trabajar más y ello dará lugar a un mayor consumo. Otro problema sería que aumenta el momento flector en el encastre del ala y se pueden tener daños estructurales.


Actualmente se fabrican winglets que son capaces de adecuarse oportunamente a las condiciones de velocidad de vuelo, ya que son flexibles y disponen de cierta elasticidad gracias al material del que están fabricados: composites, piezoeléctricos y, aún en fase experimental, materiales biónicos.


Por último, es digno de admiración observar cómo la naturaleza crea también sus propios winglets sin ningún tipo de sofisticado estudio aerodinámico previo. Así, se pueden encontrar en las aves, y es particularmente frecuente en las planeadoras o en peces.

[Img #22507]

 

Imágenes: Archivo de Carlos Ganado Alcocer

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