Los vórtices de las puntas de las alas son patrones circulares de aire giratorio que quedan detrás de un ala a medida que genera sustentación . [1] : 5.14 El nombre es inapropiado porque los núcleos de los vórtices están ligeramente hacia el interior de las puntas de las alas . [2] : 369 Los vórtices de las puntas de las alas a veces se denominan vórtices de estela o vórtices inducidos por sustentación porque también ocurren en puntos distintos a las puntas de las alas. [1] : 5.14 De hecho, la vorticidad se arrastra en cualquier punto del ala donde la sustentación varía en sentido de la envergadura (un hecho descrito y cuantificado por la teoría de la línea de sustentación ); eventualmente se acumula en grandes vórtices cerca de la punta del ala, en el borde de los dispositivos de flaps o en otros cambios abruptos en la forma del ala .
Los vórtices de las puntas de las alas están asociados con la resistencia inducida , la impartición de una corriente descendente y son una consecuencia fundamental de la generación de sustentación tridimensional. [1] : 5.17, 8.9 La selección cuidadosa de la geometría del ala (en particular, la envergadura ), así como de las condiciones de crucero, son métodos de diseño y operativos para minimizar la resistencia inducida.
Los vórtices de las puntas de las alas forman el componente principal de la turbulencia de estela . Dependiendo de la humedad atmosférica ambiental, así como de la geometría y la carga alar de la aeronave, el agua puede condensarse o congelarse en el núcleo de los vórtices, lo que hace que estos sean visibles.
Cuando un ala genera sustentación aerodinámica , se produce una región de corriente descendente entre los dos vórtices. [3] [2] : 8.1.1 [4]
La sustentación tridimensional y la aparición de vórtices en las puntas de las alas se pueden abordar con el concepto de vórtice de herradura y describirse con precisión con la teoría de Lanchester-Prandtl . En esta perspectiva, el vórtice de cola es una continuación del vórtice limitado por las alas inherente a la generación de sustentación.
Los vórtices de las puntas de las alas están asociados con la resistencia inducida , una consecuencia inevitable de la generación de sustentación tridimensional. El movimiento rotatorio del aire dentro de los vórtices de las puntas de las alas (a veces descrito como una "fuga") reduce el ángulo de ataque efectivo del aire sobre el ala.
La teoría de las líneas de sustentación describe el desprendimiento de vórtices de cola como cambios en la distribución de la sustentación a lo largo de la envergadura. Para una envergadura y una superficie de ala dadas, se obtiene una resistencia inducida mínima con una distribución de sustentación elíptica . Para una distribución de sustentación y una superficie de planta de ala dadas , la resistencia inducida se reduce al aumentar la relación de aspecto .
En consecuencia, las aeronaves para las que es deseable una alta relación sustentación-resistencia , como los planeadores o los aviones de pasajeros de largo alcance , suelen tener alas con una alta relación de aspecto. Sin embargo, estas alas tienen desventajas con respecto a las limitaciones estructurales y la maniobrabilidad, como lo demuestran los aviones de combate y acrobáticos que generalmente tienen alas cortas y rechonchas a pesar de las pérdidas de eficiencia.
Otro método para reducir la resistencia inducida es el uso de winglets , como los que se ven en la mayoría de los aviones de pasajeros modernos. Los winglets aumentan la relación de aspecto efectiva del ala, modificando el patrón y la magnitud de la vorticidad en el patrón de vórtice. Se logra una reducción en la energía cinética en el flujo de aire circular, lo que reduce la cantidad de combustible gastado para realizar trabajo sobre el aire giratorio [ cita requerida ] .
Después de que la NASA se preocupara por la creciente densidad del tráfico aéreo que podría causar accidentes relacionados con vórtices en los aeropuertos, un experimento realizado en el túnel de viento del Centro de Investigación Ames de la NASA con un modelo 747 descubrió que la configuración de los flaps se podía cambiar en los aviones existentes para dividir el vórtice en tres vórtices más pequeños y menos perturbadores. Esto implicaba principalmente cambiar la configuración de los flaps exteriores y, en teoría, se podría adaptar a los aviones existentes. [5]
Los núcleos de los vórtices pueden verse a veces cuando el agua presente en ellos se condensa pasando de gas ( vapor ) a líquido . Esta agua puede incluso congelarse, formando partículas de hielo.
La condensación de vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas es más común en aeronaves que vuelan en ángulos de ataque elevados , como los aviones de combate en maniobras de alta gravedad o los aviones de pasajeros que despegan y aterrizan en días húmedos.
Los núcleos de los vórtices giran a una velocidad muy alta y son regiones de muy baja presión. En una primera aproximación , estas regiones de baja presión se forman con poco intercambio de calor con las regiones vecinas (es decir, adiabáticamente ), por lo que la temperatura local en las regiones de baja presión también desciende. [6] Si desciende por debajo del punto de rocío local , se produce una condensación del vapor de agua presente en los núcleos de los vórtices de las puntas de las alas, lo que los hace visibles. [6] La temperatura puede incluso descender por debajo del punto de congelación local , en cuyo caso se formarán cristales de hielo dentro de los núcleos. [6]
La fase del agua (es decir, si asume la forma de un sólido, líquido o gas) está determinada por su temperatura y presión . Por ejemplo, en el caso de la transición de líquido a gas, en cada presión hay una "temperatura de transición" especial, de modo que si la temperatura de la muestra es incluso un poco superior a , la muestra será un gas, pero, si la temperatura de la muestra es incluso un poco inferior a , la muestra será un líquido; consulte transición de fase . Por ejemplo, a la presión atmosférica estándar , es de 100 °C = 212 °F. La temperatura de transición disminuye con la disminución de la presión (lo que explica por qué el agua hierve a temperaturas más bajas a altitudes mayores y a temperaturas más altas en una olla a presión ; consulte aquí para obtener más información). En el caso del vapor de agua en el aire, la correspondiente a la presión parcial del vapor de agua se llama punto de rocío . (La transición de sólido a líquido también ocurre alrededor de una temperatura de transición específica llamada punto de fusión . Para la mayoría de las sustancias, el punto de fusión también disminuye al disminuir la presión, aunque el hielo de agua en particular -en su forma I h , que es la más conocida- es una excepción destacada a esta regla ).
Los núcleos de vórtice son regiones de baja presión. A medida que comienza a formarse un núcleo de vórtice, el agua en el aire (en la región que está a punto de convertirse en el núcleo) está en fase de vapor, lo que significa que la temperatura local está por encima del punto de rocío local. Después de que se forma el núcleo de vórtice, la presión en su interior ha disminuido con respecto al valor ambiental, por lo que el punto de rocío local ( ) ha disminuido con respecto al valor ambiental. Por lo tanto, en sí misma , una caída en la presión tendería a mantener el agua en forma de vapor: el punto de rocío inicial ya estaba por debajo de la temperatura del aire ambiente, y la formación del vórtice ha hecho que el punto de rocío local sea aún más bajo. Sin embargo, a medida que se forma el núcleo de vórtice, su presión (y, por lo tanto, su punto de rocío) no es la única propiedad que está cayendo: la temperatura del núcleo de vórtice también está cayendo, y de hecho puede caer mucho más que el punto de rocío.
En una primera aproximación , la formación de núcleos de vórtices es termodinámicamente un proceso adiabático , es decir, sin intercambio de calor. En un proceso de este tipo, la caída de presión va acompañada de una caída de temperatura, según la ecuación
Aquí y son la temperatura y presión absolutas al inicio del proceso (aquí iguales a la temperatura y presión del aire ambiente), y son la temperatura y presión absolutas en el núcleo del vórtice (que es el resultado final del proceso), y la constante es aproximadamente 7/5 = 1,4 para el aire (ver aquí ).
Por lo tanto, aunque el punto de rocío local dentro de los núcleos del vórtice es incluso más bajo que en el aire ambiente, el vapor de agua puede condensarse de todas formas, si la formación del vórtice lleva la temperatura local por debajo del nuevo punto de rocío local. [6]
Para un avión de transporte típico que aterriza en un aeropuerto, estas condiciones son las siguientes: y tienen valores correspondientes a las llamadas condiciones estándar , es decir, = 1 atm = 1013,25 mb = 101 325 Pa y = 293,15 K (que es 20 °C = 68 °F). La humedad relativa es un cómodo 35% (punto de rocío de 4,1 °C = 39,4 °F). Esto corresponde a una presión parcial de vapor de agua de 820 Pa = 8,2 mb. En un núcleo de vórtice, la presión ( ) cae a aproximadamente el 80% de la presión ambiental, es decir, a aproximadamente 80 000 Pa. [6]
La temperatura en el núcleo del vórtice se da mediante la ecuación anterior como 0,86 °C = 33,5 °F.
A continuación, la presión parcial del agua en el núcleo del vórtice cae en proporción a la caída de la presión total (es decir, en el mismo porcentaje), hasta aproximadamente 650 Pa = 6,5 mb. Según una calculadora de punto de rocío, esa presión parcial da como resultado un punto de rocío local de aproximadamente 0,86 °C; en otras palabras, el nuevo punto de rocío local es aproximadamente igual a la nueva temperatura local.
Por lo tanto, este es un caso marginal; si la humedad relativa del aire ambiente fuera incluso un poco más alta (con la presión y la temperatura totales permaneciendo como se indicó anteriormente), entonces el punto de rocío local dentro de los vórtices aumentaría, mientras que la temperatura local permanecería igual. Por lo tanto, la temperatura local ahora sería más baja que el punto de rocío local, y por lo tanto, el vapor de agua dentro de los vórtices realmente se condensaría. En las condiciones adecuadas, la temperatura local en los núcleos de los vórtices puede caer por debajo del punto de congelación local , en cuyo caso se formarán partículas de hielo dentro de los núcleos de los vórtices.
El mecanismo de condensación de vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas está impulsado por cambios locales en la presión y la temperatura del aire. Esto contrasta con lo que sucede en otro caso bien conocido de condensación de agua relacionado con los aviones: las estelas de condensación de los escapes de los motores de los aviones. En el caso de las estelas de condensación, la presión y la temperatura del aire locales no cambian significativamente; lo que importa, en cambio, es que los escapes contienen tanto vapor de agua (que aumenta la concentración local de vapor de agua y, por lo tanto, su presión parcial, lo que da como resultado un aumento del punto de rocío y del punto de congelación) como aerosoles (que proporcionan centros de nucleación para la condensación y la congelación). [7]
Una teoría sobre el vuelo de las aves migratorias afirma que muchas especies de aves más grandes vuelan en formación de V para que todos, excepto el ave líder, puedan aprovechar la parte ascendente del vórtice de la punta del ala del ave que va delante. [8] [9]
Los vórtices en las puntas de las alas pueden suponer un peligro para las aeronaves, especialmente durante las fases de aterrizaje y despegue del vuelo. La intensidad o fuerza del vórtice depende del tamaño, la velocidad y la configuración de la aeronave (ajuste de los flaps, etc.). Los vórtices más fuertes son producidos por aeronaves pesadas que vuelan lentamente, con los flaps y el tren de aterrizaje retraídos ("pesados, lentos y limpios"). [10] Los aviones a reacción de gran tamaño pueden generar vórtices que pueden persistir durante muchos minutos, moviéndose a la deriva con el viento.
Los aspectos peligrosos de los vórtices en las puntas de las alas se discuten con mayor frecuencia en el contexto de la turbulencia de estela . Si un avión ligero sigue inmediatamente a un avión pesado, la turbulencia de estela puede hacer que el avión ligero se desplace más rápido de lo que puede resistir el uso de alerones. A bajas altitudes, en particular durante el despegue y el aterrizaje, esto puede provocar un vuelco del que no es posible recuperarse. ("Ligero" y "pesado" son términos relativos, e incluso aviones más pequeños han sido desviados por este efecto.) Los controladores de tráfico aéreo intentan garantizar una separación adecuada entre los aviones que salen y los que llegan emitiendo advertencias de turbulencia de estela a los pilotos.
En general, para evitar vórtices, es más seguro que un avión despegue antes del punto de rotación del avión que despegó antes. Sin embargo, se debe tener cuidado de mantenerse a barlovento (o alejado de cualquier vórtice generado por el avión anterior). Al aterrizar detrás de un avión, el avión debe permanecer por encima de la trayectoria de vuelo del avión anterior y tocar tierra más adelante en la pista. [11]
Los pilotos de planeadores practican rutinariamente el vuelo en vórtices de punta de ala cuando realizan una maniobra llamada "encajar la estela". Esto implica descender desde la posición más alta a la más baja detrás de un avión remolcador. A esto le sigue la formación de una figura rectangular sosteniendo el planeador en puntos altos y bajos alejados del avión remolcador antes de volver a subir a través de los vórtices. (Por seguridad, esto no se hace por debajo de los 1500 pies sobre el suelo, y generalmente con un instructor presente). Dadas las velocidades relativamente bajas y la ligereza de ambas aeronaves, el procedimiento es seguro, pero inculca una idea de cuán fuerte y dónde se encuentra la turbulencia. [12]
Los núcleos de los vórtices suelen denominarse "vórtices de las puntas de las alas", aunque este término es un poco inapropiado. Si bien es cierto que los núcleos se alinean bastante cerca detrás de las puntas de las alas, el término "vórtices de las puntas de las alas" implica que las puntas de las alas son las únicas fuentes de los vórtices. En realidad, como vimos en la Figura 3.2, la vorticidad que alimenta los núcleos generalmente proviene de toda la extensión del borde de salida, no solo de las puntas de las alas.
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