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Un avión hecho por el hombre vuela de acuerdo con los mismos principios de física que un pájaro: debe superar las fuerzas gravitacionales para lograr la elevación y el vuelo. Las alas de un avión funcionan para generar el ascensor, y lo logran curvando el flujo de aire a su alrededor. Sin alas, un avión es un mero automóvil.
Fuerzas de aviones
Las aeronaves y las aves pueden volar porque equilibran cuatro fuerzas: levantar, pesar, arrastrar y empujar. Un avión despega en el aire cuando el elevador, la fuerza que empuja hacia arriba en la superficie inferior de sus alas, excede el peso del avión debido a la fuerza de la gravedad. La elevación es creada por el flujo de aire alrededor del avión, especialmente alrededor de las alas. La resistencia es la fuerza de la resistencia del aire contra el movimiento del avión. Esta fuerza aumenta con el aumento de la velocidad del avión, pero disminuye si el avión tiene una forma suave o aerodinámica. El motor y el sistema de propulsión del avión, ya sea jet o hélice, generan una fuerza de empuje para superar la resistencia.
Newton y Bernoulli
Dos científicos europeos explicaron los principios del vuelo en avión. El físico inglés Isaac Newton (1642-1727) enumeró tres leyes del movimiento que son aplicables a todos los objetos en movimiento. La primera es que los objetos permanecen en reposo o en movimiento uniforme a menos que se vean obligados a cambiar por una fuerza externa. El segundo establece que una fuerza dirigida a un objeto hace que acelere en la dirección de esa fuerza. El tercero establece que para cada fuerza, existe una fuerza igual y opuesta. El matemático suizo Daniel Bernoulli (1700–1782) fue pionero en el desarrollo de una explicación matemática para la dinámica de fluidos, la mecánica de cómo fluyen los líquidos y gases. Su principal hallazgo, conocido como el principio de Bernoulli, afirma que a medida que aumenta la velocidad del flujo de aire, disminuye su presión.
Ángulo de ataque
Las alas del avión están diseñadas para inclinarse ligeramente desde la horizontal, también conocida como la ruta de vuelo. Este ángulo de inclinación se llama ángulo de ataque y es la variable más importante en la generación de elevación. Un avión comienza a moverse cuando el piloto aplica el empuje del motor para hacer que el avión viaje hacia adelante en el suelo. El piloto gira el avión hacia arriba levantando su nariz para aumentar el ángulo de ataque y lograr el despegue. Sin embargo, un ángulo de ataque demasiado grande detendrá el avión.
Curvatura de flujo
La elevación se genera por el aire que se curva alrededor de las alas de un avión. Cuando el flujo de aire golpea el borde de ataque de un ala, se divide en dos, algunos fluyen a lo largo de la superficie superior y otros fluyen a lo largo de la superficie inferior. La forma de un ala es ligeramente asimétrica, con un área de superficie más grande en el lado superior. El flujo de aire se adhiere a la superficie superior a medida que se mueve entre los bordes delantero y trasero del ala, curvando y bajando la presión de acuerdo con el principio de Bernoulli. A medida que el avión aumenta su velocidad, la elevación aumenta de acuerdo con la segunda ley de movimiento de Newton. Esto a su vez aumenta la curvatura del aire en la superficie superior, lo que obliga a bajar más aire desde el borde posterior de las alas. A medida que el avión se mueve por el aire, las alas inferiores que se enfrentan al flujo de aire en el ángulo de ataque también desvían parte del flujo de aire hacia abajo. Este flujo de aire descendente genera una reacción igual y opuesta en un flujo ascendente de aire a alta presión (tercera ley de Newton), aumentando la elevación y manteniendo el avión en el aire.