¿Puede un avión despegar sobre una cinta de correr que se mueve a su misma velocidad?

Hacía un tiempo que quería hablar sobre cómo vuelan los aviones y me he reencontrado con un episodio de los Cazadores de Mitos en Youtube en el que ponían a prueba un viejo dilema: ¿Podría un avión despegar sobre una cinta de correr que se mueve a la misma velocidad que él en dirección contraria?

¡Y el avión despega! Parece un poco contraintuitivo, ¿no? A primera vista, da la impresión de que un avión que se desplaza sobre una cinta de correr que va a la misma velocidad que él debería quedarse quieto en el mismo sitio y, como el aire no fluiría alrededor de sus alas, no despegaría. Quizá sea por eso que el vídeo tiene un montón de votos negativos y comentarios que dicen que esto no está bien y que el avión no debería despegar y, lo entiendo, es lo que puede parecer si no se analiza con atención el problema… Pero todos esos haters están equivocados.

De hecho, están tan equivocados y tan convencidos de que no lo están que un tipo sintió la urgente necesidad de abrir una página web con el único objetivo de explicar este problema y terminar con la discusión de una vez por todas. Y es su planteamiento el que vengo a exponer hoy, porque es muy interesante.

Para entender el problema hay que hablar primero de dos cosas: qué mantiene los aviones en el aire y cómo se mueven cuando están apoyados contra el suelo.

Un avión vuela gracias al fenómeno de la sustentación: debido a la forma de sus alas, el aire las empuja con más fuerza por la parte de debajo que por la de encima, de manera que el avión se mantiene “apoyado” contra el aire sobre el que se mueve a gran velocidad. Es una explicación muy simplificada, pero ya nos vale para el caso.

Podéis ver el vídeo original aquí.

Si alguna vez habéis sacado el brazo por la ventana del coche mientras vais a 100-120 km/h, habréis notado el empuje de aire contra ella. Los aviones vuelan a unos 900 kilómetros por hora, así que podéis imaginar la fuerza con la que el aire recorre el contorno del aparato. O sea que, si os da miedo volar, pensad que realmente es como si el avión estuviera constantemente apoyado en un suelo imaginario por debajo de sus alas, más sólido cuanto más rápido se desplaza la aeronave.

Total, que sin un flujo de aire moviéndose a gran velocidad alrededor de las alas, un avión no puede despegar. Parece lógico pensar, entonces, que un avión que esté sobre una cinta de correr que se mueve a la misma velocidad, pero en dirección contraria, debería quedarse quieto en su sitio y no podría despegar. Pero veamos ahora qué pasa con las ruedas de los aviones, porque son la pieza clave para resolver este dilema.

Todos sabemos más o menos cómo se mueve un coche: el motor da vueltas a una correa, que a su vez está enganchada al eje sobre el que están montadas las ruedas. La correa hace girar el eje, por lo que las ruedas que están fijas en sus extremos también giran. Al girar, gracias a la fricción con el suelo, las ruedas obligan al resto del coche a seguir su camino. Esto significa que sobre un terreno en el que no haya fricción, un coche no será capaz de moverse en absoluto, porque las ruedas no tendrán nada a lo que “agarrarse”.

En cambio, un avión no necesita tracción en las ruedas porque todo el impulso que genera proviene de los motores que tiene en las alas. Las ruedas del tren de aterrizaje de un avión no están fijas en el eje sobre el que está montadas y pueden girar libremente alrededor de él mientras los motores del avión propulsan todo el aparato. Es por eso que, al contrario que un coche, un avión se podría mover sobre una superficie sin fricción: las ruedas de un avión no ejercen ningún papel en la locomoción de la aeronave cuando está en tierra.

Dicho de otra manera: las ruedas de los aviones sirven, simplemente, para reducir la fricción entre el suelo y el aparato mientras no está en el aire… Ya sabéis, por eso de que aterrizar y despegar arrastrando el fuselaje por la pista no proporciona la mejor experiencia de vuelo para los pasajeros (aunque al menos daría un motivo real a esa gente a la que le gusta aplaudir cuando el avión aterriza).

Por otro lado, para poder reducir de manera eficaz la fricción con el suelo, se necesita que las ruedas giren con la mayor libertad posible alrededor del eje sobre el que están montadas. Si no es así, las ruedas no podrán disipar correctamente la fricción que actúa en dirección contraria al movimiento del avión y la integridad física del tren de aterrizaje podría quedar comprometida, ya que la nave recibiría un brusco empujón hacia atrás tan pronto como el tren de aterrizaje tocara el suelo.

Lo ideal, entonces, es que las ruedas simplemente acompañen el movimiento del avión sin intervenir en su el proceso de frenado mientras éste reduce su velocidad paulatinamente usando las alas. Es por eso que para reducir la fricción entre el suelo y el eje sobre el que están montadas las ruedas se utilizan los famosos (de verdad, Ciencia de Sofá, ¿famosos?) rodamientos. Se trata simplemente de unos aros repletos de bolas o rodillos que se colocan entre un eje y una rueda. Cuando la rueda de un avión empieza a girar al contacto con el suelo, el giro de los rodamientos disminuyen el rozamiento sobre el eje sobre el que están montados, reduciendo en la mayor medida posible el empuje en la dirección contraria que sufre el avión debido a ella.

Y ahora podemos meter por fin la cinta de correr en la ecuación.

Como la función de las ruedas de los aviones es simplemente girar con libertad alrededor del eje del tren de aterrizaje, no importará que el avión se mueva sobre la pista o que la pista se esté moviendo bajo el avión, porque en los dos casos el resultado será el mismo gracias a los rodamientos: las ruedas darán vueltas sin transmitir el movimiento al avión… O, al menos, eso ocurriría si viviéramos en el mundo perfecto de los problemas de física del instituto. Si ese fuera el caso, una cinta de correr puesta debajo de un avión tan sólo haría girar las ruedas del tren de aterrizaje en dirección contraria mientras la aeronave se mantendría quieta en el mismo lugar, sin inmutarse.

Pero por desgracia no vivimos en el mundo de los modelos ideales. Existe cierto rozamiento entre los rodamientos, las ruedas y el eje sobre el que están montadas de manera que, cuando nuestra gigantesca cinta de correr empiece a moverse y a hacer girar las ruedas, la fricción sí que provocará un pequeño esfuerzo en la dirección contraria al movimiento del avión.

Pero aquí viene la parte contraintuitiva de este experimento mental: por muy rápido que se mueva la cinta, la fricción que aparecerá entre ésta y las ruedas será siempre la misma.

¡Esto es el colmo, “Ciencia” de “Sofá”! ¿Tú has corrido alguna vez sobre una cinta en un gimnasio? ¿A QUE NO PUEDES TROTAR TRANQUILAMENTE A 15 km/h?

Eh, eh, eh, cálmate un poco voz cursiva. Desapareces unos días, los lectores piden que vuelvas y llegas revolucionada. Vamos a darle otro enfoque a esto para que no te resulte tan absurdo.

Dicho así de primeras parece raro, pero tiene todo el sentido del mundo. La fricción entre dos superficies depende de las características de esas superficies, su temperatura o la fuerza con la que estén apoyadas entre sí, pero no de su velocidad. Si así fuera podríamos correr o conducir sobre el hielo con normalidad siempre y cuando fuéramos muy deprisa, cosa que no ocurre.

En el caso del avión sobre la cinta de correr, las ruedas de la aeronave girarán más deprisa cuando más rápido se mueva la cinta que tienen debajo, pero la fricción generada será constante. Esto significa que, por muy rápido que se mueva la cinta bajo el avión, la fuerza que éste notará en la dirección contraria a su movimiento será siempre la misma. En otras palabras: al contrario que un coche, al no tener tracción en las ruedas un avión no tiene que igualar su velocidad con la cinta de correr para mantenerse inmóvil respecto al suelo porque no tiene tracción en las ruedas.

Es por eso que si colocamos un avión sobre una cinta de correr, bastará con que los motores produzcan un ligero empuje para sobreponerse a esa fricción constante y así mantener el avión estático respecto a la cinta de correr. A partir de ese momento, la velocidad de la cinta puede aumentar tanto como quiera. Da igual que se mueva a 5 km/h o a 200 km/h, que el avión seguirá estático respecto al suelo compensando el movimiento de la cinta con el mismo pequeño empuje.

Llegados a este punto, a la mínima que el piloto del avión decidiera aumentar el impulso producido los motores, el avión empezaría a moverse hacia adelante. De nuevo, no importaría que el avión se estuviera moviendo más despacio que la cinta: la aeronave se desplazará hacia adelante y podrá despegar con normalidad si se sobrepone a esa fuerza de fricción mínima y constante que intenta echarlo hacia atrás.

O sea, que la respuesta es que sí, que un avión puede despegar perfectamente sobre una cinta de correr que se mueve a su misma velocidad. En el caso de que el piloto del avión estuviera compitiendo contra un loco que pretende evitar que el avión despegue aumentando la velocidad de la cinta de correr, este extraño villano nunca tendría éxito. El único escenario en el que el avión no despegará será aquél en el que el piloto del avión decida mantener el aparato en ese límite de velocidad en el que la fuerza de los motores iguala la de la fricción y la aeronave queda estática respecto al suelo.

En resumen:

1) ¿Puede una cinta de correr impedir que un avión despegue igualando su velocidad? No, no puede. Si el piloto quiere, un avión sobre una cinta de correr siempre despegará.

2) ¿Puede el piloto de un avión evitar deliberadamente que el avión despegue si se encuentra sobre una cinta de correr? Sí, si lo mantiene a una velocidad baja, de manera que la fuerza que ejercen hacia adelante los motores del avión esté igualada con la fuerza de fricción que lo empuja hacia atrás.

Así que por favor os pido que nadie se meta más con los Cazadores de Mitos 🙁

 

Y para variar, un mensaje publicitario que os puede interesar.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂