Depende a lo que se refiera la pregunta. Si se refiere a la sustentación aerodinámica yo creo que no es la misma, ya que en el primer vídeo, una componente (diría que la principal) de mantener el avión a esa altura es por el propio empuje del motor
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A la espera de la explicación de @Laertes, la teoría dice que a mayor velocidad aumenta la sustentación, o al revés, a mayor sustentación , variando el ángulo aumenta la velocidad. Tenemos claro que ha aumentado en uno el ángulo de ataque y en el otro ha aumentado la velocidad, pero si la altura es la misma se supone que la sustentación es la misma. Por otro lado el riesgo de entrar en pérdida del primero es mucho mas alta. En fin, soy muy malo en matemáticas y no se resolver la ecuación.
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Ya, pero en el primero la sustentación no se produce por el fenómeno aerodinámico sino más bien por la componente vertical del empuje del motor. Como ejemplo, un cohete (como los espaciales) en posición totalmente vertical podría mantenerse a una misma altura sin moverse horizontalmente con sólo regular el empuje de su motor para que sea igual a su peso. Y en ese caso no habría ninguna sustentación aerodinámica y sin embargo el cohete se sustenta.
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La verdad es que esta pregunta tenía un poco de trampa porque dependiendo cómo entendamos la pregunta ambas respuestas pueden ser correctas. Si lo consideramos estrictamente la respuesta es que no. Veamos por qué. En ambos casos el F-16 se está moviendo a velocidad constante y rectilínea, luego aplicando la primera ley de Newton como ya vimos el sumatorio de todas las fuerzas que actúan sobre el avión tiene que ser cero. Y si nos fijamos en el eje vertical solamente tenemos por una parte el peso W hacia abajo y por lo tanto tiene que haber una fuerza (o varias) igual hacia arriba para que ambas sumen 0.
En el caso del vídeo 2 tenemos lo siguiente;
Dibujo del F-16 sacado de: http://www.f-16.net/forum/viewtopic.php?f=2&t=6570&start=60
W=L
De la wikipedia podemos sacar algunos datos del F-16:
En nuestro caso vemos en los vídeos que no va cargados con ningún arma ni depósito de combustible externo así que vamos a suponer un peso de 10.000 Kg. Pero como vamos a usarlo en unos cálculos vamos a pasarlo a Newtons multiplicando por 9,8, es decir que el peso son 98.000 N. Y por lo tanto la sustentación producida por el ala es de 98.000 N también.
Vamos a calcular ahora la sustentación en el caso del vídeo 1
La cosa cambia, porque como bien ha explicado @Qugg, al estar el avión inclinado hacia arriba el empuje del motor también ayuda a contrarrestar el peso, luego en este caso tenemos que:
W=L+T sen ∝, donde ∝ es el ángulo del avión con la horizontal
Por lo tanto la sustentación es menor que en el video 2. Podemos hacer unos cálculos aproximados porque no sabemos cuánto empuje está proporcionando el motor en el vídeo, pero lo podemos estimar con los datos de la wikipedia que he pegado arriba que nos dicen que el empuje máximo es de 76.310 N. En la situación del vídeo no creo que se esté usando el motor a tope así que vamos a suponer el 80% del empuje máximo, es decir 61.048 N. Tampoco conocemos el ángulo de elevación pero a juzgar por las imágenes vamos a suponer que son 15º. Por lo tanto el empuje del motor tiene una componente vertical de 61.048 x sen 15º = 15.800 N. Y si al peso le restamos este valor nos queda que la sustentación en este caso es de 82.200 N, menor que en el caso del vídeo 2. Aunque, aquí amigo @Qugg, me temo que estaba equivocado porque la sustentación aerodinámica sigue siendo la fuerza principal que contrarresta el peso, la parte que proviene del motor es mucho menor. Sin embargo el ejemplo que comenta del cohete es correcto (ya comentamos al principio de este hilo que para volar lo imprescindible es un motor) y de hecho un F-16 tiene la capacidad de ascender verticalmente como un cohete solo con el empuje del motor, sin que las alas generen sustentación.
Por lo tanto la respuesta correcta es que la sustentación no es la misma en ambos vídeos. Pero por otro lado podríamos considerar la sustentación como la suma de todas las fuerzas que se oponen al peso, en este caso la sustentación aerodinámica (la producida por el ala) más la producida por la componente vertical del empuje del motor y en ese caso sí que sería la misma en ambos vídeos.
Como tenemos el valor de la sustentación en ambos casos vamos a calcular también el valor del coeficiente de sustentación con la ya conocida por todos ecuación de la sustentación:
Para ello necesitamos los valores de la densidad del aire al nivel del mar, la velocidad y el área del ala. La densidad del aire, con una pequeña búsqueda vemos que es de 1,225 Kg/m³ y el área del ala son 28 m² según los datos de la wikipedia que he pegado arriba. Pero no conocemos la velocidad en ninguno de los dos vídeos. No hay problema, vamos a estimarla también. En la wikipedia podemos encontrar la velocidad máxima del F-16:
A nivel del mar la velocidad máxima es de 1,482 Km/h. Esta velocidad es mayor que la del sonido pero en el vídeo 2 no parece que esté en régimen supersónico, no se oye ningún estampido sónico (explicaremos esto en alguna entrada futura) así que vamos a suponer que está volando rápido pero no tanto: 900 Km/h o 250m/s para poder utilizarlo en la fórmula. Si introducimos estos datos y despejamos el valor del coeficiente de sustentación obtenemos 0,11 (los coeficientes de sustentación y de resistencia no tienen unidades).
Para el caso del video 1, los datos son los mismos, excepto la velocidad. Como ya sabemos un avión no puede bajar de cierta velocidad (diferente para cada avión) o entraría en pérdida. Además hemos dicho que el F-16 está diseñado para volar a gran velocidad, por lo tanto su velocidad mínima será también elevada. Teniendo esto en cuenta vamos a asumir que está volando a 250 Km/h o 69,4 m/s. Y con este valor obtenemos un coeficiente de sustentación de 0,99.
Si ponemos todos los datos en una tabla se ve mucho más claro:
El ángulo de ataque lo desconocemos y no lo podemos calcular sin las curvas del coeficiente de sustentación correspondientes al F-16, pero sí vemos en los vídeos que se cumple lo que habíamos explicado de la relación entre el coeficiente de sustentación y el ángulo de ataque.
Como pueden ver, esto concuerda en general con la teoría y las gráficas que hemos visto en las entradas anteriores. Por cierto si creen que los valores de velocidad, peso o ángulos que hemos estimado no son los de los vídeos pueden probar usando otros valores en las fórmulas. Obtendrán valores diferentes pero las conclusiones serán las mismas.
Muchas gracias a @Fanguillas, @Pacheco49 y @Qugg por sus comentarios.
Nota: Por simplicidad hemos dejado fuera varias cosas como que por ejemplo las alas en un avión normalmente ya tienen un ángulo respecto al fuselaje o que en el vídeo 2 es probable que el F-16 está también inclinado hacia arriba aunque no se vea, pero muy poco quizás 1º o 2º. Tener esto en cuenta nos habría dado unos resultados numéricos ligeramente diferentes pero el razonamiento y las conclusiones son los mismos.
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Alucinante, @Laertes !!! me saco el sombrero con sus conocimientos y su pasión. Estoy apabullado con este hilo, de verdad, es un auténtico placer que comparta sus conocimientos y cómo trabaja las respuestas. Enhorabuena !!!
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@Laertes ; suscribo el comentario de @Fanguillas .
Observo que en el foro, ocultos tras los FI y las acciones hay expertos en múltiples áreas , lo cual es muy interesante ; nunca hubiera imaginado participar en un hilo sobre aeronáutica y me está gustando .
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Dicen que el grado más alto de conocimiento es la enseñanza. Para dar tiempo y esfuerzo a los demás sin esperar nada a cambio, sin duda hay que ser generoso.
Me siento en deuda con vd. @Laertes. Muchas gracias por este magnífico hilo.
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Muchas gracias a todos por sus amables palabras. No soy un experto, ni mucho menos, solo un mero aficionado pero me gusta escribir y explicar lo poco que sé. En lo que está usted equivocado es en que no recibo nada a cambio, en este foro creo que se recibe mucho más de lo que se da.
Siguiendo con el tema de la velocidad les recomiendo que vean el siguiente vídeo. En el podemos ver un avión que es lo contrario a un F-16, el Fieseler Fi-156 Storch. Un avión diseñado en los años 30 y muy utilizado en la Segunda Guerra Mundial por Alemania. Está diseñado expresamente para poder volar a muy poca velocidad, y por lo tanto, como se puede observar en el vídeo, no necesita un ángulo de ataque tan grande como el F-16 para poder hacerlo.
https://www.youtube.com/watch?v=bTEpbv5dHEQ&t=165s
No sé si lo han notado, pero está volando incluso más despacio que el F-16 del vídeo 1.
Quizás se estén preguntando para qué querría alguien diseñar un avión que vuele despacio. Hay varias razones pero lo primero es que todo no puede ser, si queremos diseñar un avión que vuele muy rápido nos veremos obligados a sacrificar otros aspectos para conseguir ese objetivo y uno de ellos es la capacidad de volar despacio de manera eficiente. No hay más que ver al F-16 volando despacio para darse cuenta de que esa no es su mejor cara. Y viceversa, si diseñamos un avión que sea eficiente volando despacio no podrá volar muy rápido. Pero claro todos los aviones tiene que ser capaces de volar despacio para poder despegar y aterrizar. Si no ambas maniobras serían muy peligrosas y además se necesitarían pistas mucho más largas, y las que necesita un avión como el A-380 por ejemplo no son precisamente cortas.
Pero hay otras razones por las que necesitemos un avión que vuele muy bien despacio:
- Para poder despegar desde pistas muy cortas o pistas sin preparar o directamente en un campo de hierba como se ve en el vídeo. El Fi-156 del vídeo se usaba para volar de un sitio a otro del frente, sitios en los que no había aeropuertos. Su acciones más famosas fueron el rescate de Mussolini y el aterrizaje de Hanna Reitsch en pleno centro de un Berlin rodeado por el ejército rojo:
https://www.youtube.com/watch?v=Hl5ml2jy5H8
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Para entrenar a futuros pilotos. Evidentemente alguien que se pone por primera vez a los mandos de un avión lo hará mucho mejor en un avión volando a poca velocidad con mucho tiempo para reaccionar y con poco riesgo de entrar en pérdida que en un avión como el F-16 (aunque el F-16 en realidad es fácl de pilotar porque hay un ordenador que interpreta los comandos del piloto, pero ese es otro tema)
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Para vuelos turísticos disfrutando del paisaje
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Volar muy rápido cuesta mucho, tanto en términos de consumo de combustible como en potencia del motor y otros aspectos, por lo tanto si no es imprescindible mejor evitarlo
Hay muchos aspectos que condicionan a la velocidad que puede volar un avión. En la siguiente entrada veremos más en detalle uno de ellos: el perfil aerodinámico del ala. Para ello seguiremos haciendo uso de la ecuación de la sustentación.
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Buenos dias.
Un ejemplo de distintos “usos de la velocidad” que se pueden necesitar en un conflicto es Vietnam.
Sin incluir a los helicopteros, los americanos usaron desde el F-4 Phantom (Vcrucero 940km/h, Vmaxima 2300km/h) al A-1 Skyraider (Vcrucero 320km/h, Vmáxima 520km/h). Ambos eran aviones de ataque pero sus ventajas debido a su diseño les hacia ser los adecuados para distintos roles.
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Acabo de descubrir este hilo y he pasado un rato estupendo curioseando un poco en él, otro día volveré para irlo viendo poco a poco y con más detalle.
Felicito al autor ,@Laertes, por sus conocimientos, por saberlos transmitir de forma amena e interesante y especialmente por la dedicación de tiempo que esto implica.
Muchas gracias y le animo a seguir en ello. Aquí tiene a un lector que no se va a perder un post.
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Muchas gracias, me alegro mucho de que le guste el hilo. Efectivamente lo más difícil no es escribir las entradas sino sacar el tiempo para hacerlo.
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Mi cuñado, que se me fue… era otro apasionado de la aeronáutica como usted. Se construía sus aviones, que el diseñaba, y no se aburría ni se desanimaba cuando me explicaba lo que sabia y lo que hacia, no pudiendo ni por asomo entender ni la mitad de sus explicaciones. Era pura pasión.
Sigo su hilo con un plus de admiración. Que saque tiempo para compartir sus conocimientos es… ya me entiende.
Con estas palabras quiero contribuir un poquito a que pase un buen día. 
Saludos.
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Muchas gracias, pero no estoy haciendo nada que no haga todo el que escribe en el foro, compartir lo poco que sé y aprender todo lo que puedo.
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Continuamos el hilo tras experimentar con el F-16 y al Fi-156 lo que habíamos explicado sobre la sustentación. Aunque a estas alturas supongo que ya se la saben de memoria vuelvo a poner la ecuación de la sustentación porque vamos a extraer de ella más información:
Básicamente tenemos 3 parámetros, sin considerar la densidad del aire, para conseguir la sustentación deseada (recuerden, igual al peso del avión en todo lo que estamos explicando por el momento). Uno de ellos, el área del ala lo fija el diseñador y el piloto no lo puede variar durante el vuelo (esto no es del todo cierto, pero vamos a suponer por ahora que es así) y los otros dos, el coeficiente de sustentación (mediante el ángulo de ataque) y la velocidad, están bajo control del piloto y por supuesto los puede variar dentro de unos límites. Pero la velocidad está elevada al cuadrado y por lo tanto tiene más influencia que los otros dos parámetros. Tanto que, como ya hemos visto, la velocidad máxima a la que queremos que vuele nuestro avión nos va a definir en gran medida la geometría de todo el avión.
Es obvio que cuanto más rápido vuele el avión menor tendrá que ser el producto de CL × A. Doblar la velocidad significa que este producto se divida entre 4 si queremos mantener la misma sustentación. Una primera conclusión es que cuanto más rápido vuele un avión menor será el ala que necesita. Pero diseñar un avión es una serie de compromisos, como casi todo en la vida, y el ala no sólo tiene una función aerodinámica, que es la que estamos considerando aquí sino que en muchos aviones lleva los motores colgados de ella, está llena de combustible en su interior y además tiene superficies de control. Y no olvidemos que luego hay que fabricarla de manera industrial y económica. Todo esto también afecta al área del ala y el diseñador no puede solo guiarse por la sustentación que produce.
Como ejemplo de aviones veloces con alas relativamente pequeñas tenemos el Bell X-1 que fue el primer avión en sobrepasar la velocidad del sonido pilotado por el famoso piloto Chuck Yeager en 1947. Historia llevada a la gran pantalla en la excelente “Elegidos para la gloria” (“The right stuff” en VO).
O el Lockheed F-104 Starfighter, el primer avión capaz de volar a Mach 2 de manera continuada. No me dirán que no es maravilloso ese nombre.
Lo dejamos aquí de momento. En la próxima entrada hablaremos del coeficiente de sustentación. Ya hemos visto como varía con el ángulo de ataque, pero nos falta ver cómo le afecta la forma del perfil aerodinámico del ala.
Terminamos, eso sí, con la acostumbrada encuesta. Pero esta vez va ser una no sé si muy loca o muy pretenciosa. Llevo varios días dándole vueltas a la idea y al final, siguiendo la famosa y seguramente cierta frase de que al final de la vida uno se arrepiente más de las cosas que no hizo que de las que hizo, me he decidido a plantearlo. ¿Les interesaría hacer de vez en cuando una videoconferencia? La idea sería o bien resolver las dudas que hayan surgido de los temas planteados en las entradas del hilo, o profundizar algo más en alguna de ellas o plantear algún tema concreto… las posibilidades son muchas.
- Sí, me interesaría participar
- No, se le ha ido a usted la olla
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Si hay interés ya le iremos dando forma. Aunque quizás lo mejor tampoco es pensarlo mucho y lanzarse a la piscina a ver qué pasa. Para que nadie tenga falsas expectativas, aclaro que no soy piloto, ni ingeniero aeronáutico, ni mecánico de aviación, solo un aficionado a la aeronáutica desde que era un niño.
En cualquier caso, salga lo que salga, muchas gracias de nuevo a todos los que siguen este hilo.
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Me disculpará espero el relativo off-topic, pero recuerdo todavía partes de la película. Esa búsqueda del récord de velocidad que costó más de una vida. Primero lanzando el avión desde una fortaleza volante en vuelo, imagen que recordé años más tarde con las pruebas de los transbordadores espaciales. Luego con esas flechas que buscaban batir el récord una y otra vez en picados que me encogían todo. Me la apunto para revisionar.
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Es una película muy interesante, basada en un libro de Tom Wolfe del mismo título, también muy recomendable.
Efectivamente, como usted dice, el X-1 se lanzaba desde un bombardero Boeing B-29 Superfortress debido a la poca autonomía de sus motores cohete.
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Veíamos en la entrada anterior que cuanto más rápido vaya a volar un avión más contribuye dicha velocidad a la sustentación y por lo tanto se necesita menos coeficiente de sustentación y/o área. Un modo de entender la sustentación producida por el ala es hacer uso de la segunda y tercera ley de Newton igual que hicimos con el astronauta y los motores en los ejemplos de entradas anteriores. Podemos conseguir sustentación “empujando poco mucho aire” (ala grande o mucha velocidad) o “empujando mucho poco aire” (alto coeficiente de sustentación), siempre pensando en términos relativos, claro. En términos absolutos hace falta mucho aire para mantener un avión volando.
Vamos a ver por lo tanto cómo afecta el perfil aerodinámico del ala al coeficiente de sustentación. Recuerden que no es único sino que varía con el ángulo de ataque como ya explicamos anteriormente. Hay muchos tipos de perfil aerodinámico, pero la clasificación principal es si es simétrico o asimétrico (cambered en inglés) como vemos en la siguiente imagen.
En el perfil simétrico la parte superior es simétrica a la inferior, mientras que en el asimétrico la parte superior es convexa y la inferior puede ser convexa también (pero no simétrica), plana o incluso cóncava. Cada tipo tiene características diferentes:
- El perfil simétrico no genera sustentación con ángulo de ataque 0, como hemos venido explicando hasta ahora, y como ocurría con el experimento de la mano por la ventanilla, pero el perfil asimétrico sí. De hecho, un perfil asimétrico produce sustentación cero con un ángulo negativo.
El efecto es como si se desplazara hacia la izquierda la curva del coeficiente de sustentación.
Como ya se imaginan cuanto más asimétrico (o curvado) sea un perfil mayor coeficiente de sustentación tendrá a bajos ángulos de ataque. Es decir que puede volar a baja velocidad sin necesidad de que todo el avión apunte hacia arriba para tener un ángulo de ataque elevado como le ocurría al F-16 volando a baja velocidad. Sin embargo, a altas velocidades, producirá un coeficiente de sustentación mayor que el necesario lo que obligaría incluso a volar con ángulo de ataque negativo con el avión apuntando hacia abajo.
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El perfil asimétrico además también puede producir un coeficiente de sustentación máximo mayor que el del un perfil asimétrico similar y también tendrá un ángulo de ataque crítico mayor, ambas características muy útiles para volar despacio
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El perfil simétrico produce la misma sustentación con el mismo ángulo de ataque en vuelo normal o en vuelo invertido mientras que el asimétrico produce menos sustentación en invertido. Pero se puede volar en invertido con un perfil asimétrico, únicamente requerirá mayor ángulo de ataque.
La mayoría de los aviones tiene alas con perfil asimétrico, solamente hay un tipo muy particular de aviones que suele tener perfil simétrico y son los aviones acrobáticos. Estos aviones en sus torneos y exhibiciones, a diferencia de casi cualquier otro avión, incluyen maniobras de vuelo invertido prolongadas y por lo tanto el perfil simétrico facilita el trabajo del piloto.
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Las exhibiciones acrobáticas son muy espectaculares con maniobras que un avión “normal” no puede hacer:
Otra característica muy importante es el grosor del perfil.
A grandes rasgos cuanto más grueso sea más coeficiente de sustentación tiene por lo tanto será más adecuado para bajas velocidades. Además se produce otro fenómeno relacionado con la velocidad del sonido (que ya explicaremos más adelante) que hace que para velocidades cercanas a la del sonido sea mejor un perfil fino. De hecho para velocidades supersónicas incluso un perfil en rombo es lo más adecuado.
A modo de ejemplo, pueden ver un par de gráficas con datos reales de dos perfiles obtenidos en ensayos en túnel de viento:
Esta gráfica corresponde a un perfil asimétrico, pueden comprobar como a 0º de ángulo de ataque este perfil produce aproximadamente un coeficiente de sustentación de 0,2, se hace 0 a -2º (es decir apuntando hacia abajo el perfil) y el máximo es aproximadamente 1,7 a 16º. La curva más o menos horizontal es otro coeficiente que no hemos explicado así que de momento olvídense de ella.
En este caso tenemos un perfil simétrco y más fino por lo que el coeficiente de sustentación a 0º es 0 y el máximo es de 1,1 a 10º. La curva más elevada corresponde a un mecanismo que todavía tampoco hemos visto, así que por el momento la pueden ignorar.
Espero que con esto se hagan una idea de cómo los ingenieros aeronáuticos tienen que equilibrar muchos parámetros para adecuarlos al objetivo que quieren lograr con su avión. Y como ya comentábamos en la entrada anterior estamos teniendo en cuenta solo los parámetros aerodinámicos (y no todos), pero además están los estructurales, los funcionales, los económicos, los industriales…
Aún falta mucho más por contar de las alas pero con lo que ya saben pueden solo con ver la foto de un avión al menos hacerse una idea de cuáles son sus características. De hecho les animo a que revisen los aviones que hemos comentado hasta ahora como el X-1, F-104, Fi-156 o el F-16 e intenten ver qué tipo de alas tienen y si cuadra con lo que hemos explicado.
En la próxima entrada volveremos a los motores y hablaremos de un motor que soluciona el problema más grave que tenía el estatorreactor ¿se acuerdan de él?
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Qué interesante, @Laertes !!!
Resulta que mi pasión es la vela y funciona exactamente igual. De hecho lo últimos copa américa utilizan alas en vez de velas y funcionan de la forma que usted explica de una forma estupenda.
Y empieza a pasar también con los próximos, que utlizan “foils” en el agua y funcionan de forma parecida
Un saludo
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Ya somos dos con la misma afición.
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Sí, una vela funciona igual que un ala, pero siento decir que eso es lo único que sé.