Los vórtices de las puntas de las alas son patrones circulares de aire en rotación 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 arrastre o inducidos por sustentación porque también ocurren en puntos distintos de las puntas de las alas. [1] : 5.14 De hecho, la vorticidad es arrastrada en cualquier punto del ala donde la sustentación varía en términos de envergadura (un hecho descrito y cuantificado por la teoría de la línea de sustentación ); eventualmente se enrolla en grandes vórtices cerca de la punta del ala, en el borde de los dispositivos de aleta 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 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 operativos y de diseño para minimizar la resistencia inducida.
Los vórtices de las puntas de las alas forman el componente principal de la estela turbulenta . Dependiendo de la humedad atmosférica ambiental, así como de la geometría y la carga alar de los aviones, el agua puede condensarse o congelarse en el núcleo de los vórtices, haciéndolos visibles.
Cuando un ala genera sustentación aerodinámica , da como resultado una región de flujo 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 pueden abordarse con el concepto de vórtice en herradura y describirse con precisión con la teoría de Lanchester-Prandtl . Desde este punto de vista, el vórtice de salida es una continuación del vórtice ala 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 giratorio del aire dentro de los vórtices de las puntas del ala (a veces descrito como "fuga") reduce el ángulo efectivo de ataque del aire sobre el ala.
La teoría de la línea de elevación describe el desprendimiento de los vórtices posteriores como cambios en la distribución de la elevación. Para una envergadura y superficie de ala determinadas, se obtiene una resistencia inducida mínima con una distribución de sustentación elíptica . Para una distribución de sustentación y un área de forma en planta del ala dadas , la resistencia inducida se reduce al aumentar la relación de aspecto .
Como consecuencia, las aeronaves para las que es deseable una alta relación de sustentación y resistencia , como los planeadores o aviones de pasajeros de largo alcance , normalmente tienen alas con una relación de aspecto alta. Sin embargo, estas alas tienen desventajas en cuanto a limitaciones estructurales y maniobrabilidad, como lo demuestran los aviones de combate y acrobáticos que suelen presentar alas cortas y rechonchas a pesar de las pérdidas de eficiencia.
Otro método para reducir la resistencia inducida es el uso de aletas , como se ve en la mayoría de los aviones de pasajeros modernos. Los Winglets aumentan la relación de aspecto efectiva del ala, cambiando el patrón y la magnitud de la vorticidad en el patrón del vórtice. Se logra una reducción de la energía cinética en el flujo de aire circular, lo que reduce la cantidad de combustible gastado para realizar trabajo sobre el aire que gira [ 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 por el Centro de Investigación Ames de la NASA en el túnel de viento con un modelo 747 encontró que la configuración de los flaps podría cambiarse en los aviones existentes para romper el vórtice. en tres vórtices más pequeños y menos perturbadores. Esto implicó principalmente cambiar la configuración de los flaps externos y, en teoría, podría adaptarse a los aviones existentes. [5]
Los núcleos de los vórtices a veces pueden ser visibles cuando el agua presente en ellos se condensa de gas ( vapor ) a líquido . Esta agua a veces 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 aviones que vuelan con ángulos de ataque elevados , como aviones de combate en maniobras de alta gravedad o aviones de pasajeros que despegan y aterrizan en días húmedos.
Los núcleos de los vórtices giran a muy alta velocidad 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 cae por debajo del punto de rocío local , se produce una condensación de vapor de agua presente en los núcleos de los vórtices de las puntas de las alas, haciéndolos visibles. [6] La temperatura puede incluso caer 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 sólido, líquido o gas) está determinada por su temperatura y presión . Por ejemplo, en el caso de la transición líquido-gas, a cada presión hay una "temperatura de transición" especial, de modo que si la temperatura de la muestra es incluso un poco superior , la muestra será un gas, pero, si la temperatura de la muestra es uniforme un poco más abajo , la muestra será líquida; ver transición de fase . Por ejemplo, a la presión atmosférica estándar , es 100 °C = 212 °F. La temperatura de transición disminuye al disminuir la presión (lo que explica por qué el agua hierve a temperaturas más bajas en altitudes más altas 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 sólido-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 familiar , es una excepción destacada a esta regla ).
Los núcleos de vórtice son regiones de baja presión. Cuando 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 del vórtice, la presión en su interior ha disminuido con respecto al valor ambiental y, por lo tanto, el punto de rocío local ( ) ha disminuido con respecto al valor ambiental. Así, por sí misma , una caída de 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 del vórtice, su presión (y por tanto su punto de rocío) no es la única propiedad que disminuye: la temperatura del núcleo del vórtice también disminuye y, de hecho, puede disminuir mucho más que el punto de rocío.
En primera aproximación , la formación de núcleos de vórtice es termodinámicamente un proceso adiabático , es decir, sin intercambio de calor. En tal proceso, la caída de presión va acompañada de una caída de temperatura, según la ecuación
Aquí y son la temperatura y presión absolutas al comienzo del proceso (aquí igual 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 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 de los vórtices es incluso más bajo que en el aire ambiente, el vapor de agua puede condensarse, si la formación del vórtice hace que la temperatura local esté 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 son 20 °C = 68°F). La humedad relativa es de un agradable 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 viene dada por 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 del 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 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 manteniéndose como arriba), 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, por lo que el vapor de agua dentro de los vórtices 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.
Por tanto, 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 escape de los motores de los aviones. En el caso de las estelas de vapor, la presión del aire y la temperatura locales no cambian significativamente; en cambio, lo que importa es que el escape contenga tanto vapor de agua (lo que aumenta la concentración local de vapor de agua y, por lo tanto, su presión parcial, lo que resulta en un punto de rocío y un punto de congelación elevados) como también 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 pájaro líder, puedan aprovechar la parte ascendente del vórtice de la punta del ala del pájaro que va delante. [8] [9]
Los vórtices en las puntas de las alas pueden representar un peligro para las aeronaves, especialmente durante las fases de aterrizaje y despegue del vuelo. La intensidad o fuerza del vórtice es función del tamaño, la velocidad y la configuración de la aeronave (posición de flaps, etc.). Los vórtices más fuertes son producidos por aviones pesados, que vuelan lentamente, con los flaps y el tren de aterrizaje retraídos ("pesados, lentos y limpios"). [10] Los grandes aviones a reacción pueden generar vórtices que pueden persistir durante muchos minutos, a la deriva con el viento.
Los aspectos peligrosos de los vórtices de las puntas de las alas se analizan con mayor frecuencia en el contexto de la estela turbulenta . Si un avión ligero sigue inmediatamente a un avión pesado, la estela turbulenta del avión pesado puede hacer rodar el avión ligero más rápido de lo que puede resistir mediante el uso de alerones. En altitudes bajas, en particular durante el despegue y el aterrizaje, esto puede provocar una alteración de la que no es posible recuperarse. ("Ligero" y "pesado" son términos relativos, y este efecto ha hecho rodar aviones incluso más pequeños). Los controladores de tráfico aéreo intentan garantizar una separación adecuada entre las aeronaves que salen y las que llegan emitiendo advertencias de estela turbulenta a los pilotos.
En general, para evitar vórtices un avión es más seguro si su despegue es antes del punto de rotación del avión que despegó antes que él. Sin embargo, se debe tener cuidado de mantenerse contra el viento (o alejado) de cualquier vórtice generado por la aeronave anterior. Al aterrizar detrás de un avión, éste debe permanecer por encima de la trayectoria de vuelo del anterior y aterrizar más a lo largo de la pista. [11]
Los pilotos de planeadores practican habitualmente el vuelo en vórtices de las puntas de las alas cuando realizan una maniobra llamada "encajonar la estela". Se trata de descender desde la posición superior a la inferior detrás de un avión de remolque. A esto le sigue haciendo una figura rectangular sosteniendo el planeador en los puntos altos y bajos lejos del avión de remolque antes de regresar a través de los vórtices. (Por razones de seguridad, esto no se hace por debajo de los 1500 pies sobre el suelo y generalmente con un instructor presente). Dadas las velocidades relativamente lentas y la ligereza de ambas aeronaves, el procedimiento es seguro pero infunde una idea de qué tan fuerte y dónde se encuentra la turbulencia. . [12]
Los núcleos de los vórtices a menudo se denominan "vórtices de punta de ala", aunque este es un nombre poco apropiado.
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 envergadura del borde de fuga, no solo de las puntas de las alas.
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