¿Cómo se comparan los perfiles aerodinámicos gruesos y delgados en la generación de sustentación?

La sustentación es principalmente el resultado de AoA y camber. El grosor tiene un efecto muy pequeño, tanto que algunas teorías aerodinámicas lo ignoran por completo. Principalmente tiene un efecto sobre la resistencia y debe ser relativamente alto para aeronaves subsónicas para que el perfil aerodinámico pueda operar en una amplia gama de AoA sin entrar en pérdida. También debe ser alto para que el momento de inercia de las secciones transversales sea alto y por lo tanto menos estrés en los componentes estructurales. Y quizás lo más obvio, debería ser alto para que los tanques de combustible quepan dentro del ala.

Puede responder fácilmente a esta pregunta consultando la famosa teoría de las secciones del ala de Abbott. Encontrará que el grosor afecta la sustentación a medida que aumenta hasta 0,12 de longitud de cuerda (c). El efecto hace que el ángulo de entrada en pérdida se produzca más tarde, lo que permite la posibilidad de tener una mayor sustentación, pero con el inconveniente de que tendrá una entrada en pérdida más abrupta. En el caso de 0 perfiles simétricos combados (pensemos en la serie NACA de 4 dígitos, como NACA de 0008 a 0012, por lo tanto, con un espesor de 0,08 c a 0,12 c), la pérdida es más abrupta a medida que se acerca el ángulo de pérdida. En el caso de perfiles combados , esto sucede con más suavidad. Después de 0,12 c de espesor, el coeficiente de sustentación máximo tiende nuevamente a disminuir ligeramente (como puede ver en la imagen que puede encontrar aquí )).

Como se dice en Abbott, debemos considerar que para Reynolds alrededor de 2 millones, aumentar el espesor por encima de 0.12 c puede considerarse insignificante.

Babinsky, Holger (2003) tienen toda la razón al señalar que la sobrepresión debajo del ala contribuirá a la sustentación.

Sin embargo, esto no está necesariamente relacionado con el "grosor", que está más relacionado con la fuerza.

La escala es extremadamente importante en el diseño de la aviación: para soportar su propio peso, escalar un gorrión hasta un Piper Cub requiere un ala que pueda soportar varios miles de kg (no olvide maniobrar las fuerzas G). Esto sin duda requerirá un ala proporcionalmente más gruesa$^1$.

Como se mencionó en la referencia anterior, la curvatura o camber determina la sustentación a una velocidad determinada, el área del ala, el ángulo de ataque, la relación de aspecto y la densidad del aire.

A primera vista, el ala delgada tendría la ventaja de crear una presión excesiva debajo del ala para mejorar la sustentación, pero las alas más gruesas incluso en los aviones más grandes también tienen este truco bajo la manga al usar ... listones y flaps para vuelos de menor velocidad. El ala "gruesa" también tendrá curvatura en su superficie superior, lo que lleva a otra consideración muy importante: el número de Reynolds .

Reynolds Number = Velocity × Chord/Kinematic Viscosity

La viscosidad cinemática del aire es 1,46 × 10$^-5$, las unidades son metros y segundos

Esto conducirá a una mejor comprensión de por qué los aviones más grandes y más rápidos vuelan de manera más eficiente utilizando "elevación superior". Una mirada al número de Reynolds frente a las relaciones de elevación/arrastre en Airfoiltools mostrará un marcado aumento en las relaciones L/D a medida que los números de Reynolds aumentan de 10$^3$-10$^4$típico de pájaros a 10$^6$-10$^7$típico de los aviones.

Las aeronaves más grandes y rápidas pueden optimizar la parte inferior del ala, agregando fuerza y ​​​​reduciendo la resistencia, al confiar en una "elevación superior" más eficiente. Aquí nació la leyenda del "ala gruesa", ejemplificada por los diseños de caza de la Luftstreitkrafte y el ala Davis años después. El grosor y la curvatura también se vuelven relevantes a medida que la velocidad se acerca a los reinos transsónico y supersónico (número de Mach crítico), donde los efectos de arrastre de la onda de choque favorecen alas más delgadas con menos inclinación.

Las alas de los pájaros son generalmente demasiado pequeñas y lentas para aprovechar al máximo el famoso efecto de elevación superior "Bernoulli". Uno puede darse cuenta de que un halcón que se zambulle puede cruzar a números de Reynolds más altos, pero resuelven este problema con ... geometría variable , ¡plegando sus alas!

$^1$Los primeros constructores de aeronaves sostenían sus queridas
alas delgadas con cámaras inferiores con cables y, al apilar las alas
(biplano), creaban estructuras de entramado ligeras y muy resistentes.
El énfasis en la reducción de la resistencia vendría más tarde con velocidades más altas, habilitadas por motores más potentes.