Why do airplanes fly? - ¿Por qué vuelan los aviones?

In English:

Welcome, in this first entry I would like to present myself and bring you the answer of a question frequently asked: "Why do airplanes fly?"

About me: I am an aerospace engineer who thanks to the internet has learned a lot of interesting facts about aviation and space. Is that why I feel that I own something to people who might read this blog. I am writing both in English and Spanish to make it easier for everyone. Spanish is my mothertongue and I have a good English level but I beg you pardon for my mistakes (in both languages). In the future I hope a couple of friends of mine to help me writing the blog, but in the meanwhile you will have to deal with me.

So, how does a plane fly? What makes them stay up there? Some people would tell you a lot of things about the airflow around the wings, high pressure under and low pressure above, etc. Let's let that for more advanced chapters and let's stick with the basics: Forces and an old friend of us called Newton.

Newton. Yes, he is the one who got hit by an apple.

Newton said: "When one body exerts a force on a second body, the second body simultaneously exerts a force equal in magnitude and opposite in direction to that of the first body." This means that if you want to go forward, you need to push something backwards (which is exactly what happens when you swim) and of course, if you want to go up, you have to push something down.

What does this have to do with airplanes? Well, everything! Look at the forces that an airplane is exposed to:

Dear NASA, I'm borrowing this picture from you.

There are 4 forces:
 - T (thrust), produced by the engines, it makes the airplane go forward.
 - D (drag), due to the aerodynamic resistance, it's bad.
 - W (weight), our enemy if we want to fly, it brings the airplane down to the grownd.
 - L (lift), what makes the airplane fly, we like it.

Ok but, how do airplanes fly? We can't avoid either W or D, the first one is always there, due to the gravitational attraction between the Earth and the airplane. The second one just happens when something moves within a fluid and it's a pain in the ass. We will talk much more about that in the future.

Newton also said: "When viewed in an inertial reference frame, an object either is at rest or moves at a constant velocity, unless acted upon by an external force." This means that for our airplane to fly at a constant speed and altitude, T must be equal to D and L must be equal to W:

T=D

L=W

We said that T is produced by the engines, in order to go forward, the engines push air backwards, exactly the same than when we swim. What about L? There are no engines facing the sky to push air down. That's the wing duty (an airplane has only a wing, what you use to call "wing" is actually half of it, we will talk about that later).

Thanks to the airspeed the wing makes the airflow bend down, which means "throwing" something down and, consequently, having a force upwards. This force has a strong dependency with the airspeed, the angle of the wing, its surface and the air density. What matters is that, when this force equals the aircraft weight (L=W) the airplane can stay in the air. If L>W then the airplane goes up and if L<W the airplane goes down (more or less, this also has a much longer explanation).

And yes, it is the same thing that happens when you go in a car and put a hand out, now you know why.

As I said, these are the very basics, in later episodes we will go much further, but I decided to start this way in order to go step by step so everyone can follow the blog with just a bit of knowledge about physics and maths.

I really hope you enjoyed it, let me know if you didn't understand something or if there are things that you'd like to know about.

En español:

Bienvenidos, en esta primera entrada me gustaría presentarme y traeros la respuesta a una pregunta que me hacen frecuentemente: "¿Por qué vuelan los aviones?"

Sobre mí: Soy un ingeniero aeronáutico que gracias a internet ha aprendido bastantes curiosidades y hechos sobre la aviación y el espacio. Por eso siento que debo algo a la gente que pudiese leer este blog. Voy a escribir tanto en inglés como en español para hacerlo más fácil a todo el mundo. El español es mi lengua materna y tengo un buen nivel de inglés, pero os pido disculpas por los errores que pueda cometer (en ambos idiomas). En un futuro espero contar con la colaboración de un par de amigos para la redacción del blog, pero mientras tanto tendréis que aguantarme a mí.

Así que, ¿cómo vuela un avión? ¿qué les hace mantenerse ahí arriba? Algunos te dirán muchas cosas sobre el flujo de aire alrededor de las alas, alta presión por debajo y baja presión por encima, etc. Dejemos eso para capítulos más avanzados y quedémonos con lo básico: Fuerzas y un viejo amigo nuestro llamado Newton.

Newton. Sí, es al que le cayó una manzana.

Newton dijo: "Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo, el segundo cuerpo simultáneamente ejerce una fuerza igual en magnitud y opuesta en sentido a esa del primer cuerpo." Esto significa que si se quiere ir hacia delante, hay que empujar algo hacia atrás (exactamente igual que cuando nadamos) y por supuesto, si se quiere ir hacia arriba, hay que empujar algo hacia abajo.

¿Qué tiene esto que ver con los aviones? Bueno, ¡todo! Mirad las fuerzas a las que está expuesto un avión:

Querida NASA, tomo prestada esta imagen.

Hay 4 fuerzas:

 - T (empuje), producida por los motores, hace que el avión avance.

 - D (resistencia), resistencia aerodinámica, es mala.

 - W (peso), nuestro enemigo si queremos volar, hace que el avión vaya al suelo.

 - L (sustentación), la que hace que el avión vuele, nos gusta.

Vale pero, ¿cómo vuelan los aviones? No se pueden evitar ni W ni D, la primera está siempre ahí, debido a la atracción gravitatoria entre la Tierra y el avión. La segunta simplemente ocurre siempre que algo se mueve dentro de un fluido y es como un grano en el culo. Hablaremos largo y tendido sobre eso en el futuro.

Newton también dijo: "Desde un sistema de referencia inercial, un objeto está en reposo o se mueve a velocidad constante a no ser que se perturbe con una fuerza externa." Esto significa que para que nuestro avión vuele a altitud y velocidad constantes, T debe ser igual a D y L debe ser igual a W:

T=D

L=W

Se ha dicho que T es producida por los motores, con objeto de ir hacia delante, los motores empujan aire hacia atrás, exactamente igual que cuando nadamos.¿Qué pasa con L? No hay motores mirando al cielo para empujar aire hacia abajo. Esa es la tarea del ala (un avión tiene sólo un ala, lo que se suele llamar "ala" es en realidad la mitad, pero lo discutiremos posteriormente).

Gracias a la velocidad relativa al aire, el ala hace que el flujo de aire se doble hacia abajo, lo que significa "tirar" algo hacia abajo y, consecuentemente, tener una fuerza de reacción hacia arriba. Esta fuerza tiene una alta dependencia con la velocidad del avión respecto del aire, el ángulo que forma el ala, su superficie y la densidad del aire. Lo que importa es que, cuando esta fuerza iguala al peso de la aeronave (L=W) el avión puede permanecer en el aire. Si L>W entonces el avión sube y si L<W el avión baja (más o menos, tiene una explicación mucho más larga).

Y sí, es lo mismo que pasa cuando vas en el coche y sacas una mano por la ventanilla, ahora sabes por qué.

Como he dicho, esto es lo más básico, en posteriores entradas iremos mucho más allá, pero he decidido empezar de este modo para poder ir paso a paso y que todo el mundo pueda ser capaz de seguir el blog con conocimientos básicos de física y matemáticas.

Espero que hayáis disfrutado, comentad si no se ha entendido algo o si hay cualquier cosa sobre la que queráis saber más.