vórtices en las puntas de las alas

Los vórtices de punta de ala son patrones circulares de aire giratorio que quedan detrás de un ala al generar sustentación . ^{[ 1 ] : 5.14} El nombre es un nombre inapropiado porque los núcleos de los vórtices están ligeramente hacia adentro de las puntas de las alas . ^{[ 2 ] : 369} Los vórtices de punta de ala 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 encuentra en cualquier punto del ala donde la sustentación varía a lo largo de la envergadura (un hecho descrito y cuantificado por la teoría de la línea de sustentación ); finalmente se enrolla en grandes vórtices cerca de la punta del ala, en el borde de los dispositivos de flap 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 generación de flujo 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 operación para minimizar la resistencia inducida.

Los vórtices de las puntas de las alas constituyen 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, haciéndolos visibles.

Cuando un ala genera sustentación aerodinámica , se produce 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 mediante el concepto de vórtice en herradura y describirse con precisión mediante la teoría de Lanchester-Prandtl . Desde esta perspectiva, el vórtice de estela es una continuación del vórtice ligado al ala, inherente a la generación de sustentación.

Los vórtices en 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 desprendidos en 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 la línea de sustentación describe el desprendimiento de vórtices de estela como cambios en la distribución de sustentación a lo largo de la envergadura. Para una envergadura y superficie alar dadas, se obtiene una resistencia inducida mínima con una distribución de sustentación elíptica . Para una distribución de sustentación y área de la planta alar dadas , la resistencia inducida se reduce al aumentar la relación de aspecto .

En consecuencia, las aeronaves que requieren una alta relación sustentación-resistencia , como los planeadores o los aviones de pasajeros de largo alcance , suelen tener alas de gran alargamiento. Sin embargo, estas alas presentan desventajas en cuanto a limitaciones estructurales y maniobrabilidad, como demuestran los aviones de combate y acrobáticos , que generalmente cuentan con alas cortas y robustas a pesar de la pérdida de eficiencia.

Otro método para reducir la resistencia inducida es el uso de winglets , como se observa en la mayoría de los aviones comerciales modernos. Los winglets aumentan la relación de aspecto efectiva del ala, modificando el patrón y la magnitud de la vorticidad en el vórtice. Esto reduce la energía cinética del flujo de aire circular, disminuyendo así el combustible necesario para realizar trabajo sobre el aire en rotación .

Después de que la NASA expresara su preocupación por la creciente densidad del tráfico aéreo y su posible impacto en accidentes relacionados con vórtices en los aeropuertos, un experimento realizado por el Centro de Investigación Ames de la NASA en un túnel de viento con un modelo de Boeing 747 reveló que la configuración de los flaps podía modificarse en aeronaves 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, podría implementarse en aeronaves ya existentes. ^{[ 5 ]}

En ocasiones, los núcleos de los vórtices pueden hacerse visibles cuando el agua presente en ellos se condensa, pasando del estado gaseoso ( vapor ) al líquido . Esta agua incluso puede congelarse, formando partículas de hielo.

La condensación del vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas es más común en aeronaves que vuelan con ángulos de ataque elevados , como los aviones de combate en maniobras de alta aceleración o los aviones comerciales que despegan y aterrizan en días húmedos.

Condensación aerodinámica y congelación

Los núcleos de los vórtices giran a muy alta velocidad y son regiones de muy baja presión. En 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, haciéndolos 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 adopta la forma de un sólido, líquido o gas) está determinada por su temperatura y presión . Por ejemplo, en el caso de la transición líquido-gas, a cada presión existe una "temperatura de transición" específica.${\displaystyle T_{c}}$de tal manera que si la temperatura de la muestra es incluso un poco más alta${\displaystyle T_{c}}$, la muestra será un gas, pero, si la temperatura de la muestra es incluso un poco menor${\displaystyle T_{c}}$, la muestra será un líquido; véase transición de fase . Por ejemplo, a la presión atmosférica estándar ,${\displaystyle T_{c}}$es 100  °C  =  212  °F. La temperatura de transición${\displaystyle T_{c}}$disminuye con la disminución de la presión (lo que explica por qué el agua hierve a temperaturas más bajas a mayor altitud 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${\displaystyle T_{c}}$La temperatura que corresponde a la presión parcial del vapor de agua se denomina punto de rocío . (La transición sólido-líquido también se produce 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 importante 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 de vórtice, la presión en su interior ha disminuido con respecto al valor ambiente, y por lo tanto el punto de rocío local (${\displaystyle T_{c}}$) ha descendido respecto al valor ambiente. Por lo tanto, en 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 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 lo tanto su punto de rocío) no es la única propiedad que está descendiendo: la temperatura del núcleo del vórtice también está descendiendo, y de hecho puede descender mucho más que el punto de rocío.

En primera aproximación , la formación de núcleos de vórtice es termodinámicamente un proceso adiabático , es decir, uno sin intercambio de calor. En dicho proceso, la caída de presión va acompañada de una caída de temperatura, según la siguiente ecuación de estado :

${\displaystyle {\frac {T_{\text{f}}}{T_{\text{i}}}}=\left({\frac {p_{\text{f}}}{p_{\text{i}}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}.}$^{[ 6 ]}

Aquí${\displaystyle T_{\text{i}}}$y${\displaystyle p_{\text{i}}}$son la temperatura y presión absolutas al comienzo del proceso (en este caso, iguales a la temperatura y presión del aire ambiente),${\displaystyle T_{\text{f}}}$y${\displaystyle p_{\text{f}}}$son la temperatura y presión absolutas en el núcleo del vórtice (que es el resultado final del proceso) y la constante${\displaystyle \gamma }$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 sea incluso más bajo que en el aire ambiente, el vapor de agua puede condensarse, si la formación del vórtice hace que la temperatura local descienda por debajo del nuevo punto de rocío local. ^{[ 6 ]}

Para el aterrizaje de un avión de transporte típico en un aeropuerto, las condiciones son las siguientes:${\displaystyle T_{\text{i}}}$y${\displaystyle p_{\text{i}}}$tienen valores que corresponden a las llamadas condiciones estándar , es decir,${\displaystyle p_{\text{i}}}$ =  1 atm = 1013,25 mb = 101      ${\displaystyle \,}$325 Pa y ${\displaystyle T_{\text{i}}}$ =  293,15 K (que son 20 °C = 68 °F). La humedad relativa es de 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 el núcleo de un vórtice, la presión (             ${\displaystyle p_{\text{f}}}$) cae a aproximadamente el 80% de la presión ambiente , es decir, a unos 80  000  Pa. ^{[ 6 ]}

La temperatura en el núcleo del vórtice viene dada por la ecuación anterior como${\displaystyle T_{\text{f}}=\left({\frac {\scriptstyle 80\,000}{\scriptstyle 101\,325}}\right)^{\scriptscriptstyle 0.4/1.4}\,T_{\text{i}}=0.935\,\times \,293.15=274\;{\text{K}},}$o 0,86  °C  =  33,5  °F.

A continuación, la presión parcial del agua en el núcleo del vórtice disminuye en proporción a la disminución 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, se trata de un caso excepcional; si la humedad relativa del aire ambiente fuera ligeramente mayor (manteniendo la presión y la temperatura totales constantes), el punto de rocío local dentro de los vórtices aumentaría, mientras que la temperatura local se mantendría constante. En consecuencia, la temperatura local sería inferior al punto de rocío local, y el vapor de agua dentro de los vórtices se condensaría. En las condiciones adecuadas, la temperatura local en los núcleos de los vórtices podría descender por debajo del punto de congelación local , en cuyo caso se formarían partículas de hielo en su interior.

El mecanismo de condensación del vapor de agua en los vórtices de las puntas de las alas está impulsado, por lo tanto, por cambios locales en la presión y la temperatura del aire. Esto contrasta con lo que ocurre en otro caso bien conocido de condensación de agua relacionado con los aviones: las estelas de condensación de los escapes de los motores. En el caso de las estelas de condensación, la presión y la temperatura locales del aire no varían significativamente; lo que importa es que los gases de escape contienen tanto vapor de agua (lo que aumenta la concentración local de vapor de agua y, por consiguiente, su presión parcial, elevando así el punto de rocío y el 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 todas, excepto el ave líder, puedan aprovechar la parte ascendente del vórtice de la punta del ala del ave que va delante. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Albion Bowers, un científico de la NASA (jubilado), ha declarado en vídeos de YouTube que tienen la formación de vórtice al 75% de la mitad de la envergadura, y cruzan sus alas (ave delante, ave detrás) en este punto, mostrando exactamente que están aprovechando esto: cada ave vuela en la corriente ascendente hacia afuera del ave que va delante.

Los vórtices en las puntas de las alas pueden representar un peligro para las aeronaves, especialmente durante las fases de aterrizaje y despegue . 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 se producen en aeronaves pesadas que vuelan lentamente, con los flaps y el tren de aterrizaje retraídos ("pesado, lento y limpio"). ^{[ 10 ]} Los grandes aviones a reacción pueden generar vórtices que persisten durante muchos minutos, desplazándose con el viento.

Los aspectos peligrosos de los vórtices en las puntas de las alas se suelen analizar en el contexto de la turbulencia de estela . Si una aeronave ligera sigue inmediatamente a una aeronave pesada, la turbulencia de estela de la aeronave pesada puede hacer que la aeronave ligera gire a una velocidad que no se puede contrarrestar con los alerones . A bajas altitudes, en particular durante el despegue y el aterrizaje, esto puede provocar una pérdida de control irreparable. (Los términos "ligera" y "pesada" son relativos, e incluso aviones a reacción más pequeños han sufrido este efecto). Los controladores de tráfico aéreo intentan garantizar una separación adecuada entre las aeronaves que despegan y las que aterrizan emitiendo avisos de turbulencia de estela a los pilotos.

En general, para evitar vórtices, es más seguro que una aeronave despegue antes del punto de rotación de la aeronave que despegó previamente. Sin embargo, se debe tener cuidado de mantenerse a barlovento (o alejado de cualquier otro vórtice) generado por la aeronave anterior. Al aterrizar detrás de una aeronave, esta debe mantenerse por encima de la trayectoria de vuelo de la anterior y tocar tierra más adelante en la pista. ^{[ 11 ]}

Los pilotos de planeadores practican habitualmente el vuelo en vórtices de punta de ala mediante una maniobra denominada "atravesar la estela". Esta maniobra consiste en descender desde una posición más alta a una más baja detrás de un avión remolcador. A continuación, se describe una figura rectangular manteniendo el planeador en puntos altos y bajos, lejos del avión remolcador, antes de volver a ascender a través de los vórtices. (Por seguridad, esta maniobra no se realiza por debajo de los 1500 pies sobre el suelo y, por lo general, se realiza con un instructor presente). Dada la velocidad relativamente baja y la ligereza de ambas aeronaves, el procedimiento es seguro, pero permite comprender la intensidad y la ubicación de la turbulencia. ^{[ 12 ]}

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  Un EA-6 Prowler con condensación en los núcleos de los vórtices de las puntas de sus alas y también en la parte superior de las mismas.
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  En los extremos de las palas de la hélice se forman vórtices, como se puede apreciar en este DHC-5 Buffalo .
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  El núcleo del vórtice que se desprende de la punta del flap de un avión comercial con el flap de aterrizaje extendido.
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  Vórtices en las puntas de las alas de un modelo de Cessna 182 en un túnel de viento .
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  Vórtices en las puntas de las alas, visibles en el humo que deja tras de sí un C-17 Globemaster III . También conocidos como ángeles de humo.
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  El helicóptero de rotor basculante MV-22 Osprey tiene una alta carga en el disco , lo que produce vórtices visibles en las puntas de las palas.
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  Cálculo euleriano de un vórtice de punta estacionario. Los colores del contorno y la isosuperficie revelan la vorticidad.
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  Un modelo de Boeing 747 acaba de atravesar una columna de humo estacionaria, que muestra sus vórtices de estela, en las instalaciones de vórtices del Centro de Investigación Langley .
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  Un Lockheed Martin F-35 Lightning II en un giro, mostrando los vórtices en las puntas de las alas.

• Índice de artículos sobre aviación
• Relación de aspecto (ala)
• Teoría de la conspiración de las estelas químicas
• inestabilidad del cuervo
• Los teoremas de Helmholtz
• vórtice en forma de herradura
• Resistencia inducida por sustentación
• Formación en V
• Vórtice
• Turbulencia de estela

• Vídeo de las pruebas realizadas en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA sobre los vórtices en las puntas de las alas:
  • Galaxia C-5 :
  • Lockheed L-1011 :
• Vórtices en las puntas de las alas durante un aterrizaje - Vídeo en YouTube