¿Cómo afecta la relación de aspecto de un ala a su sustentación?

" La fórmula de sustentación del ala muestra que la sustentación de un ala es proporcional a su área ".

Eso es absolutamente cierto. Sin embargo, un ala genera sustentación y arrastre. El arrastre es de dos naturalezas: arrastre parasitario y arrastre inducido por sustentación . La suma de todos los arrastres es el arrastre total:

^{Fuente: Wikipedia}

La resistencia inducida disminuye con la velocidad y tiene su origen en los vórtices de las puntas de las alas. Los vórtices en realidad aumentan la velocidad de la corriente descendente y cambian el ángulo de ataque efectivo. Que a su vez cambia la dirección de la fuerza aerodinámica, creando una fuerza opuesta a la dirección de vuelo:

^{Arrastre inducido, fuente: Wikipedia}

La resistencia inducida se debe a los vórtices de punta, si podemos hacer que los vórtices sean menos eficientes, entonces también reduciremos la resistencia inducida. La forma de hacerlo es tener alas largas, de modo que la corriente descendente de los vórtices afecte solo una parte del ala:

^{Vórtices de punta, fuente: Wikipedia}

La investigación demostró que la resistencia inducida depende de la relación de aspecto del ala , no solo de la envergadura del ala. Esto se puede entender fácilmente: la cantidad de aire en un vórtice de punta es mayor cuando la cuerda es grande.

Entonces, la respuesta a su pregunta es: sí, la sustentación es proporcional al área del ala, pero la relación sustentación/resistencia es proporcional a la relación de aspecto del ala. Es por eso que se prefieren alas más largas, ya que minimizan la pérdida de energía en la lucha contra la resistencia.

" ¿Por qué la mayoría de las alas convencionales tienen la misma forma (rectángulos inclinados hacia atrás)? "

Las alas más largas son mejores para la eficiencia de combustible, pero tenemos otros problemas en la cola del diseñador, y algunos pueden resolverse seleccionando la forma del plano del ala , por ejemplo:

• Queremos evitar que la entrada en pérdida sea abrupta (aunque a expensas de crear menos sustentación):
  
  

• Queremos retrasar la creación de un flujo supersónico local en alas supercríticas utilizadas en aviones comerciales. Cuando se vuela a M 0.8, el flujo de aire se acelera para producir sustentación, algunas áreas del ala alcanzan una velocidad supersónica (Mach > 1). La onda de choque asociada crea un arrastre adicional. Al barrer el ala, agregamos un componente a lo largo del flujo de aire que disminuye la velocidad a lo largo de la cuerda, por lo que la onda de choque aparece solo a una velocidad aerodinámica más alta del avión:
  
  

Por otro lado, el ala en flecha tiende a entrar en pérdida primero en la punta, lo que no es nada bueno, ya que cuando aparece una pérdida necesitamos alerones para evitar que empeore, y los alerones están ubicados en las puntas para aumentar su efectividad. Por lo tanto, las alas en flecha también se tuercen para que el ángulo de ataque de la punta sea más pequeño que el de la raíz, lo que obliga a que la pérdida comience en la raíz del ala.

Las formas en planta de las alas son múltiples, cada tipo de ala, oa veces subcomponente, puede mejorar un problema en particular (posiblemente creando otro que será menos importante para el diseñador). Vea este artículo muy interesante en Wikipedia: Wing configuration

Una relación de aspecto más alta (dada la misma área alar) significa más envergadura y menos resistencia aerodinámica dependiente de la sustentación. En el mismo ángulo de ataque, una relación de aspecto más alta también significa más sustentación ( dentro de los límites ).

La sustentación se produce desviando hacia abajo la corriente de aire que se aproxima. Cuanto más aire pueda verse afectado, más eficiente se vuelve la producción de elevación. Tal vez quieras leer algunas respuestas por aquí si quieres aprender más .

Lo que describes es un ala de cuerpo delgado . La mayor parte de la desviación la realiza el primer porcentaje de la cuerda de esta ala, y el resto no podrá aumentar más la sustentación, trabajando en el aire ya desviado. En consecuencia, la misma área del ala creará menos fuerza de sustentación, al menos en flujo subsónico. Tome el XB-70 , por ejemplo: su carga alar máxima (masa dividida por el área) fue de 420 kg/m². El B-1 de alas oscilantes , que podría estirar sus alas para volar a baja velocidad, tiene una carga alar máxima de 1190 kg/m², sin embargo, el método de cálculo de su área alar no incluye la gran sección delta por delante de la principal. ala. Aún así, queda una diferencia considerable y muestra que la misma área del ala puede crear más sustentación cuando se estira.

La "fórmula de elevación del ala" que citó es una aproximación simple y no se usa para el diseño detallado de las alas.

Las razones prácticas por las que las alas convencionales tienen la forma que tienen dependen de muchas consideraciones de diseño, incluida la misión de la aeronave. Las respuestas que ha recibido abordan algunos de esos problemas.

Sin embargo, tenga en cuenta que hay muchos conceptos erróneos en el diseño de alas. Un concepto erróneo común es que: "La resistencia inducida se debe a los vórtices de punta, si podemos hacer que los vórtices sean menos eficientes, entonces también reduciremos la resistencia inducida".

Esa es una gran simplificación excesiva. La resistencia inducida depende de la forma de todo el ala, no solo de la relación de aspecto y los vórtices de las puntas.

El ex miembro técnico de Boeing, Doug Maclean, analiza este concepto erróneo en particular y muchos otros en su libro: Comprensión de la aerodinámica: argumentos a partir de la física real.

Puede sacar mucho provecho de la charla de Maclean:

Conceptos erróneos comunes en aerodinámica