Els avions volen gràcies a una combinació de principis físics que actuen sobre ells, els quals permeten generar la força necessària per mantenir-se a l'aire i desplaçar-se.
Els més importants són l'aerodinàmica, força de sustentació, propulsió i control de vol. A continuació, s'explicaran aquests conceptes en detall, així com la història i l'evolució del vol, fins a arribar als avions moderns.
Principis físics del vol
1. Sustentació
La força de sustentació és la clau del vol dels avions i és generada principalment per les ales.
Per comprendre com es produeix, cal entendre alguns principis bàsics de l'aerodinàmica, com ara el principi de Bernoulli i la tercera llei de Newton.
Principi de Bernoulli
Aquest principi estableix que com més velocitat d'un fluid, menor serà la seva pressió.
En el cas d'un avió, el fluid és l'aire. Les ales d'un avió tenen una forma particular, anomenada perfil alar, que és corbada a la part superior i més plana a la part inferior. Quan l'avió es mou endavant, l'aire flueix sobre i sota les ales. A causa de la forma del perfil alar, l'aire que passa per la part superior de l'ala ha de recórrer una distància més gran al mateix temps que l'aire que passa per la part inferior, cosa que provoca que l'aire sobre la part superior es mogui més ràpid.
Segons el principi de Bernoulli, en moure's més ràpid, la pressió sobre la part superior de l'ala és menor que a la part inferior. Aquesta diferència de pressions genera una força cap amunt, coneguda com a sustentació, que aixeca l'avió.
llei de Newton
A més del principi de Bernoulli, la tercera llei de Newton, que estableix que "per a cada acció hi ha una reacció d'igual magnitud i en sentit contrari", també hi juga un paper important en la generació de sustentació.
El flux d'aire desviat cap avall en passar per l'ala genera una força de reacció cap amunt, que també contribueix a la sustentació de l'avió.
2. Propulsió
El component clau següent en el vol dels avions és la propulsió, que és la força que impulsa l'avió cap endavant. Aquesta força és produïda pels motors de l'avió, que poden ser motors a reacció (en la majoria dels avions comercials) o hèlixs (en avions més petits o antics).
La propulsió és el que permet que l'avió mantingui prou velocitat perquè les ales generin sustentació.
En el cas dels motors a reacció, funcionen expulsant gasos a alta velocitat cap enrere.
Segons la tercera llei de Newton, la reacció a aquesta expulsió és una força que empeny l'avió cap endavant. En el cas de les hèlixs, aquestes giren ràpidament i empenyen l'aire cap enrere, cosa que genera una força d'avanç que mou l'avió cap endavant.
3. Resistència i pes
Hi ha dues forces addicionals que han de ser contrarestades perquè un avió pugui volar: la resistència i el pes.
-
Resistència: És la força que s'oposa al moviment de l'avió a través de l'aire. Es produeix a causa del fregament de l'avió amb les molècules d'aire, cosa que genera una fricció que tendeix a alentir l'avió. Els dissenyadors d'avions treballen per reduir la resistència aerodinàmica, donant-los formes suaus i optimitzades.
-
Pes: El pes de l'avió, que és la força que actua cap avall a causa de la gravetat, ha de ser contrarestat per la força de sustentació perquè l'avió no caigui. La sustentació ha de ser més gran que el pes perquè l'avió pugi, i l'ha d'igualar perquè mantingui un vol estable.
4. Control de vol
Per controlar la direcció i l'estabilitat de l'avió a l'aire, s'utilitzen diferents superfícies de control ubicades principalment a les ales i la cua de l'avió. Aquestes superfícies són:
- Alerons: Ubicats a les ales, permeten que l'avió giri sobre el seu eix longitudinal, inclinant-se cap a un costat o un altre (això es coneix com a "alabeo").
- Timó de direcció: Situat a la part vertical de la cua, permet controlar el gir de l'avió sobre el seu eix vertical (moviment conegut com a “guinyada”).
- Elevadors: Ubicats a la part horitzontal de la cua, permeten controlar la inclinació de l'avió sobre el seu eix lateral, és a dir, fan que l'avió pugi o baixi (moviment anomenat "capçaleig").
5. Velocitat i altitud
La velocitat de l'avió és crucial perquè es produeixi la sustentació. A velocitats baixes, la quantitat d'aire que passa sobre les ales no és suficient per generar la sustentació necessària, i l'avió pot perdre altura o fins i tot entrar en una situació de pèrdua (quan el flux d'aire sobre l'ala se separa de la superfície i l'ala deixa de generar sustentació).
Per això, els avions necessiten assolir una velocitat mínima per enlairar-se i mantenir-se a l'aire. Un cop en vol, han de mantenir una velocitat adequada depenent de l'altitud i les condicions de vol.
Pel que fa a l'altitud, a mesura que l'avió puja, la densitat de l'aire disminueix, cosa que pot afectar tant la sustentació com l'eficiència dels motors. Els avions estan dissenyats per volar a altituds on l'aire és menys dens, cosa que redueix la resistència aerodinàmica i permet un vol més eficient. Tot i això, els pilots han de tenir en compte les condicions atmosfèriques i ajustar la velocitat i l'angle d'atac (la inclinació de l'ala respecte al flux d'aire) per mantenir un vol estable.
Comparació amb vol d'un helicòpter
Els avions i els helicòpters volen mitjançant principis aerodinàmics similars, però hi ha diferències clau en com generen la sustentació i es controlen a l'aire.
Generació de sustentació
- Avions : Generen sustentació a través de les seves ales fixes. Per volar, s'han de moure cap endavant, cosa que permet que l'aire flueixi sobre les ales i creï una diferència de pressió que els manté a l'aire.
- Helicòpters : Generen sustentació mitjançant els seus rotors , que actuen com a ales giratòries. El rotor principal de l'helicòpter gira ràpidament i mou l'aire cap avall, cosa que crea una força de reacció cap amunt, permetent l'enlairament i vol vertical sense necessitat de moviment cap endavant.
Propulsió
- Avions : Utilitzen motors a reacció o hèlixs per generar una força d'empenta cap endavant, necessària perquè l'aire flueixi sobre les ales i es produeixi la sustentació.
- Helicòpters : No necessiten desplaçar-se cap endavant per volar. El rotor principal no només proporciona sustentació, sinó també empenta, permetent a l'helicòpter desplaçar-se en qualsevol direcció (endavant, enrere i lateralment).
Control
- Avions : Utilitzen alerons, timó i elevadors per controlar el vol. Aquests permeten girar i pujar o baixar, però sempre necessiten avançar.
- Helicòpters : Controlen el vol ajustant l'angle dels rotors (cíclic i col·lectiu) i utilitzant el rotor de cua per controlar la picada d'ullet, cosa que els permet enlairar-se i aterrar verticalment, i mantenir-se en un punt fix a l'aire (flotar o "hovering").
Comparació amb el vol d´un globus aerostàtic
El vol d'un avió i d'un globus aerostàtic es basen en principis completament diferents quant a com es genera la sustentació, la propulsió i el control.
Generació de sustentació
- Avions : Generen sustentació a través de les seves ales fixes. Perquè l'avió voli, necessita moure's cap endavant, cosa que permet que l'aire passi sobre les ales i generi una diferència de pressió que el manté a l'aire.
- Globus aerostàtics : No generen sustentació a través del moviment o ales. En lloc d'això, funcionen basant-se en el principi de flotabilitat o principi d'Arquimedes , que estableix que un objecte submergit en un fluid (en aquest cas, l'aire) experimenta una força cap amunt igual al pes del fluid desplaçat. L'aire calent dins del globus és menys dens que l'aire fred que l'envolta, cosa que fa que el globus suri cap amunt.
Propulsió
- Avions : Utilitzen motors (a reacció o hèlixs) per generar empenta cap endavant, cosa que els permet avançar i generar la sustentació necessària per al vol.
- Globus aerostàtics : No tenen un sistema de propulsió activa. El globus simplement flota amb els corrents d'aire, i és incapaç de moure's intencionalment en una adreça específica. Només puja o baixa en escalfar o refredar l'aire al seu interior.
Control
- Avions : Utilitzen superfícies de control (alerons, timó, elevadors) per maniobrar a l'aire. Els pilots tenen control sobre la direcció, l'altitud i la velocitat.
- Globus aerostàtics El control és molt més limitat. Els pilots poden controlar només l'altitud ajustant la quantitat de calor al globus, però la direcció depèn dels corrents de vent, ja que el globus no té control directe sobre el desplaçament horitzontal.
Evolució del vol humà
Els pioners del vol
La idea del vol ha fascinat la humanitat des de temps antics. Tot i això, no va ser fins a finals del segle XIX i principis del segle XX que es va aconseguir el primer vol controlat i sostingut.
Els germans Wright, Orville i Wilbur, van aconseguir aquesta fita el 17 de desembre de 1903, amb el seu avió Flyer I. Aquest avió estava equipat amb ales fixes i un motor, i el seu èxit va ser el resultat d'anys de recerca en aerodinàmica, control de vol i motors lleugers.
Desenvolupament d'avions comercials
A mesura que la tecnologia avançava, es van dissenyar avions més grans i eficients. Durant la Primera i Segona Guerra Mundial, l'aviació militar va impulsar molts avenços en el disseny d'avions, que després es van traslladar a l'aviació comercial.
Els avions van començar a ser utilitzats per al transport de passatgers i càrrega, i l'aviació civil va créixer exponencialment durant el segle XX.
Una de les fites més importants en l'aviació comercial va ser el desenvolupament del Boeing 707 a la dècada de 1950, un dels primers avions comercials a reacció. Aquest avió va revolucionar el transport aeri en permetre vols més ràpids ia distàncies més grans, i va marcar l'inici de l'era dels avions a reacció.
Avions moderns
Avui dia, els avions són màquines altament sofisticades, amb sistemes avançats de navegació, control i seguretat. Els avions comercials moderns, com ara el Boeing 787 Dreamliner o l'Airbus A350, estan dissenyats per ser extremadament eficients en termes de consum de combustible i reduir les emissions de carboni.
A més, les millores en materials compostos i aerodinàmica permeten que els avions siguin més lleugers, cosa que redueix el pes i, per tant, el consum de combustible.
La introducció de tecnologies com ara els motors d'alta eficiència i l'ús de materials compostos lleugers ha permès que els avions moderns siguin més silenciosos i econòmics.
L'automatització també ha tingut un paper fonamental en el control del vol, amb sistemes de pilot automàtic que permeten que els avions volen trajectòries predeterminades amb mínima intervenció humana.