22 nov. 2016

Per què volen els avions?

Al Cafè Científic de la Casa Orlandai, dimecres 16 de novembre va venir Josep Losantos, pilot comercial d'avió i enginyer tècnic industrial per parlar sobre per què volen els avions?

Molts de nosaltres ens hem preguntat com és que poden volar, en pujar-hi. Què fa que un aparell carregat de persones sigui capaç de mantenir-se enlairat? Com ha d’estar dissenyat per aprofitar els fluxos d’aire? Quina és la força de l’aire? Com assoleixen la velocitat necessària? Quines formes de volar tenen els avions?
Les forces
En Josep comença dient-nos que perquè volen, ben bé, no se sap, de la mateixa manera que no sabem perqué hi ha la força de la gravetat. Si se sap què succeeix quan un avió vola i com s'aconsegueix que un avió voli. Comença per explicar-nos que el vol d'un avió es regeix per quatre forces.

Els avions són moguts per quatre forces. En primer lloc, hi ha el pes del propi aparell, provocat per la força de la gravetat, que és la mateixa a terra que quan està enlairat. A mida que vola, un avió a l'aire pesa menys, perquè va gastant combustible. Una altra força és la resistència del vent.

La tercera força és la tracció, que venç la resistència i s'acaba igualant a ella. I finalment, la sustentació és la força que els fa mantenir a l'aire. Els motors produeixen la tracció, i les ales generan la sustentació i equilibren el pes. La tracció, i no la sustentació, es qui fa pujar l’avió.

La sustentació: el principi de Bernouilli
Fa més de dos segles i mig, Daniel Bernouilli va postular, en el seu llibre Hydrodinamica, publicat el 1738, que quan augmenta la velocitat d'un fluïd (líquid o gas) no viscós, baixa la seva pressió.

El perfil de les ales dels avions s'ha dissenyat aprofitant el principi de Bernouilli. Com la superfície de dalt de l'ala és curvada, fà el mateix efecte que si reduïssim la secció de pas de un tub, i l’aire augmenta la seva velocitat quan la recorre, amb la qual cosa baixa la pressió. La diferència de pressió entre les dues cares, multiplicada per la superfície de l’ala, es la força cap amunt –sustentació– que equilibra el pes de l’avió.

Una altre part de la sustentació es genera per la acció-reacció. En donar una certa inclinació a l’ala respecte a l’aire –el que anomenem “angle d’atac”– desviem l'aire cap a baix. La reacció de l’aire en ser desviat també genera sustentació.

En Josep ens ho mostra amb un túnel de vent que va construir amb un motor i peces de metacrilat. Una ala plana solament genera sustentació si li donem angle d’atac. Una ala feta amb una lámina curvada ja genera sustentació sense angle d’atac. Una ala moderna amb la cara superior curvada i la part inferior plana, genera més sustentació que les dues anteriors.

A la foto: Charles Lindbergh al Québec, 1928

Els flaps son superfícies retráctils que augmenten la superfície de l'ala i la curvatura del perfil, i permeten volar a baixes velocitats, adients per enlairar-se i aterrar.

Quan anem en cotxe i traiem el braç per la finestra (ull viu, que és prohibit perquè pot ser perillós), ens adonem de la força del vent. I, si inclinem la mà en un angle de 45º, per exemple, el nostre braç pujarà. És l'efecte contrari dels alerons dels cotxes de carreres, ja que són com ales d'avió invertides per acostar el cotxe a terra.

L'enlairament és una conseqüència d'aquesta mateixa força. Quan l’avió ja té prou velocitat, aixequem el morro augmentant l'angle d'atac, i ja generem prou sustentació per compensar el pes de l’avió. I, en agafar velocitat, encara més, ja que la sustentació és proporcional al quadrat de la velocitat. Per això, un cop agafem velocitat, ja podem plegar els flaps. De fet, els dies de vent cal lligar les avionetes més petites, perquè no s'enlairin.

La superfície de les ales d'un Airbus 380 és de 845 m2. Les ales es dissenyen segons la mesura i el pes de l'avió. Qualsevol avió pot planejar si té prou alçada, i, cas que s'espatllessin els motors, pot volar fins a aterrar; com va passar l'any 2009, que un avió va aterrar de manera forçosa al riu Hudson, salvant el passatge i la tripulació, com es relata a la pel·lícula Sully.

Aprofitar condicions
En aviació, no hi ha res barat. Els materials han de ser molt lleugers per augmentar-ne l'eficiència. Com menys pesi un aparell, menys combustible necessitarà per a volar i més càrrega podrà dur.

Els avions volan tan alt, a deu mil metres d'altitud i a -50ºC, perque allà la densitat de l’aire es molt més baixa que a nivell del mar, i per tant baixa la resistència de l'aire i poden arribar a 850 km/h.
Prop del nivell del mar, la densitat de l'aire es més alta, i fa que la resisténcia sigui més gran i la quantitat de combustible necessari, molt superior.

Al Perú, on la pressió de l'aire és més baixa, un avió gran no es pot enlairar ple, perquè l'aire no el sustentaria. També cal tenir en compte que una temperatura baixa afavoreix la sustentació, perquè la densitat de l'aire és inversament proporcional a la temperatura. Així, un avió que necessita recórrer 300 m per enlairar-se a l'hivern, a l'estiu pot necessitar 400 m.

La tracció: els motors
La tracció s'aconsegueix amb la força de les hèlixs o dels motors a reacció. Les hèlix han anat evolucionant, des de les primeres, que eren planes, fins a tenir uns sofisticats perfils s'aspecte guerxo, que manten l’angle d’atac constant al llarg de tota la pala. També ha evolucionat el nombre de pales, les hèlixs modernes tenen de sis a vuit pales, mentre que les primeres en tenien dues.

Els motors a reacció es basen en el mateix principi que provoca la fugida endavant d'un globus inflat i no lligat: l’acció de l’aire al escapar-se per la part de darrera del motor tira endavant l'aparell. Com més pesa un avió, més potent ha de ser el seu motor, ja que també necessitarà més velocitat per a enlairar-se.

L'estabilització
Per aconseguir l'estabilització de l'aparell hi ha dos estabilitzadors, el vertical (3), on s'incorpora el timó de direcció (4), i l'horitzontal (2), on s'incorpora el timó de profunditat (1).

Enlairament i aterratge
L'enlairament és relativament fàcil, donar gas, agafar velocitat, i quan arriba el moment, pujar el morro de l’avió. Aterrar és molt més difícil. Cal encertar la velocitat, el lloc, la distància entre l'avió i el terra... Sempre s'enlaira i s'aterra contra del vent, atès que se suma la velocitat del vent a la del avió. Al enlairar-nos, eñ vent de cara se suma a la nostre velocitat, i necessitem menys pista. Al aterrar, el vent de cara fa que la velocitat relativa el terra sigui mes baixa, i ens costi menys frenar.

Mai no s'ha d'aterrar amb vent de cua. Com que el vent pot venir de qualsevol direcció, es habitual tenir una certa component de vent és de costat, que si es molt forta, pot impossibilitar l’aterratge. Aterrar amb vent de costat es la maniobra més difícil de realitzar, ja que ens hem d’aproximar a la pista amb l’avió “de canto”, i alinear-lo a l’ultim moment abans de tocar terra.

Les pistes dels aeroports són dissenyades segons els vents dominants a les zones. El número de la pista es la direcció magnética de la mateixa, arrodonida a la desena més propera. L’aeroport de Barcelona té tres pistes d'aterratge, dues paral·eles, per augmentar la freqüència de les operacions, i una de transversal. Les dues pistes paral·leles són emprades de dia, una per enlairar-se i l'altra per aterrar, i la pista transversal es fa servir de nit.

Si un aterratge no ha de sortir bé, el pilot decideix enlairar-se abans de tocar terra. Diuen els experts, que si un pilot no aconsegueix aterrar la segona vegada s'adreci directament a l'aeroport alternatiu sense intentar-ho per tercera vegada.

Formes de volar
Hi ha dues formes de volar, la visual, en què el pilot va decidint segons el que veu; o la instrumental, que es guia per radiofars. En vol instrumental, el pilot sols mira els instruments. El mes important es l’horitzó artificial, que li indica la actitud de l’avio (posició de morro e inclinació lateral). Dins un núvol, quan no es veu res, es la única manera de saber com estem.

Hi ha altres instruments que permeten saber a on som, com per exemple el HSI (Horizontal Situation Indicator), el VOR (VHF Omnidirectional Range) o el DME (Distance Measurement Equimpent). Per aterrar sense visibilitat, s’utilitza el ILS (Instrumental Landing System), que ens diu si estem alineats amb la pista i si estem seguin la “senda de planeo” adequadament, sense anar mes alts ni mes baixos del que toca.

Precaucions
Hi ha molts mecanismes de seguretat en els avions. En primer lloc, els vols es planifiquen a consciència: la ruta, el combustible necessari (més un tant per cent per si no es pot aterrar en el lloc previst), el tipus de vol...

Es fan moltes llistes de comprovació (checklists), que atenen a diferents aspectes del vol i supervisen més d'una persona.

En volar, els avions generen moltes turbulències, de manera que cal que hi hagi uns minuts entre el pas d'un avió i un altre. Això és especialment important per a les avionetes, que tenen menys massa i es poden veure més afectades.

Els avions eviten els cumulonimbus, que són els núvols de tempesta. Generen moltes turbulències i raigs. Es calcula que cada avió rep uns vint llamps en la seva vida; més o menys un llamp cada any. Quan els avions eren metàl·lics, eren gàbies de Faraday, de manera que els llamps no els afectaven. Ara, que són de fibra, els posen una malla de metall per a que absorbeixin l'electricitat del raig.

El concorde
L'accident del Concorde va ser perquè va trepitjar una peça que havia perdut un avió anterior, la peça va rebotar amb força i va rebentar un pneumàtic, i les restes del pnuemàtic i la peça van rebentar al seu torn els tancs de combustible, i es va calar foc a l'avió.

El concorde, i altre avions, superen la velocitat del so, que varia segons el medi que travessen les ones. L'entrenament de pilots de proves que superen el mach és fort, va ser tractat en la pel·lícula Elegidos para la gloria ("The right stuff", que es podria traduir per "el que cal tenir").

Josep, i tu, com et vas fer pilot?
Jo de petit volia ser astronauta. Però als set anys van trobar-me una miopia i, en dur ulleres, ja sabia que no ho podria ser, perquè els astronautes, abans, havien de ser prèviament pilots d'avió. Molts es feien militars, i aprenien a pilotar a costa de l'exèrcit; per això ara els pilots militars signen un contracte per quinze anys. Actualment, els pilots comercials es formen en escoles de vol que son empreses privades.

En el meu cas, de petit ja feia aeromodelisme i en sabia molt, d'avions. Em vaig fer enginyer tècnic i encara treballo d'això. Sempre que volava intentava entrar a les cabines dels pilots, i ho aconseguia en alguns moments. Després de l'onze de setembre de 2001, ja no és permès.

Als 37 anys em vaig operar de la miopía, i en veure’m sense ulleres vaig pensar, i per què no? Potser astronauta, no, però pilot, si. Em vaig vendre la casa on vivia i em vaig treure el carnet per a pilotar avions comercials. Ens va confessar que costa 60.000€. I va esdevenir pilot. Les condicions laborals, però, el mantenen en l'enginyeria.

Fotos: wikimedia commons

No hay comentarios:

Publicar un comentario