miniatura|500px|derecha|Flujo a lo largo de un perfil alar: los puntos se mueven con el flujo. Obsérvese que las velocidades son mucho mayores en la superficie superior (extradós) que en la inferior (intradós). Los puntos negros están en función de la escala de tiempo y se separan a partir del borde de ataque. Perfil Kármán–Trefftz , con valores μx = –0.08, μy = +0.08 y n = 1.94. Ángulo de ataque 8°, flujo potencial.
miniatura|300px|derecha|Fuerzas que actúan sobre un perfil, Mostrando la Sustentación oponiéndose al peso, y el impulso o tracción oponiéndose a la resistencia aerodinámica La sustentación es la fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través de un fluido, de dirección perpendicular a la dirección de la corriente incidente. La aplicación más conocida es la del ala de un ave o un avión, generada por la superficie de un perfil alar.
Contrasta con la fuerza de resistencia, que es la componente de la fuerza paralela a la dirección del flujo. Convencionalmente, la sustentación actúa en dirección ascendente para contrarrestar la fuerza de gravedad, pero puede actuar en cualquier dirección perpendicular al flujo.
Si el fluido circundante es aire, la fuerza se denomina fuerza aerodinámica. En el agua o cualquier otro líquido, se denomina fuerza hidrodinámica.
La sustentación dinámica se distingue de otros tipos de sustentación en los fluidos. La sustentación aerostática o flotabilidad, en la que un fluido interno es más ligero que el fluido circundante, no requiere movimiento y es utilizada por globos, dirigibles, barcos y submarinos. La planeadora, en la que sólo la parte inferior del cuerpo se sumerge en un flujo de líquido, la utilizan las lanchas motoras, las tablas de surf, los windsurfistas, los veleros y los esquís acuáticos.
Como con otras fuerzas aerodinámicas, en la práctica se utilizan coeficientes adimensionales que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para producir sustentación y se usan para facilitar los cálculos y los diseños.
El modelo matemático de la fuerza de sustentación es: +SímboloNombreUnidadFuerza de sustentaciónNDensidad del fluidokg/m3Velocidadm/sÁrea de referencia del cuerpo (también llamada "superficie alar")m2Coeficiente de sustentación. Este coeficiente se halla experimentalmente de acuerdo con:
Antecedentes
Un fluido que fluye alrededor de la superficie de un objeto sólido aplica una fuerza sobre él. No importa si el objeto se mueve a través de un fluido inmóvil (por ejemplo, un avión que vuela por el aire) o si el objeto está inmóvil y el fluido en movimiento (por ejemplo, un ala en un túnel de viento) o si ambos están en movimiento (por ejemplo, un velero que utiliza el viento para avanzar). La sustentación es el componente de esta fuerza que es perpendicular a la dirección del flujo que se aproxima. La sustentación siempre va acompañada de una fuerza de resistencia, que es el componente de la fuerza superficial paralelo a la dirección del flujo.
La sustentación se asocia principalmente con las alas de las aeronaves de ala fija, aunque está más ampliamente generada por muchos otros cuerpos aerodinámicos, como las hélices, los cometas, los rotores de helicópteros, las alerones de coches de carreras, las velas marítimas, las turbinas eólicas, y por las quillas de los veleros, timón de barco e hidroala en el agua. La sustentación también es utilizada por animales que vuelan y planean, especialmente por aves, murciélagos e insectos, e incluso en el mundo vegetal por las semillas de ciertos árboles.Kulfan (2010)
Aunque el significado común de la palabra "elevación" asume que la elevación se opone al peso, la elevación puede ser en cualquier dirección con respecto a la gravedad, ya que se define con respecto a la dirección del flujo en lugar de con respecto a la dirección de la gravedad. Cuando un avión está en velocidad de crucero en vuelo recto y nivelado, la mayor parte de la sustentación se opone a la gravedad.La cantidad de sustentación aerodinámica será (normalmente ligeramente) mayor o menor que la gravedad dependiendo del nivel de empuje y de la alineación vertical de la línea de empuje. Una línea de empuje lateral también dará lugar a cierta sustentación opuesta al empuje lateral. Sin embargo, cuando una aeronave está ascendiendo, descendiendo, o girando la sustentación se inclina con respecto a la vertical.Clancy, L. J., Aerodynamics, Section 14.6 La sustentación también puede actuar como downforce en algunas maniobras acrobáticas , o en el ala de un coche de carreras. La sustentación también puede ser en gran medida horizontal, por ejemplo en un velero.
La sustentación de la que se habla en este artículo se refiere principalmente a los perfiles aerodinámicos, aunque los hidroalas marinos y las hélices comparten los mismos principios físicos y funcionan de la misma manera, a pesar de las diferencias entre el aire y el agua, como la densidad, la compresibilidad y la viscosidad.
El flujo alrededor de un perfil aerodinámico de sustentación es un fenómeno de mecánica de fluidos que puede entenderse esencialmente a dos niveles: Existen teorías matemáticas, que se basan en leyes físicas establecidas y representan el flujo con precisión, pero que requieren resolver ecuaciones diferenciales parciales. Y hay explicaciones físicas sin matemáticas, que son menos rigurosas. Explicar correctamente la sustentación en estos términos cualitativos es difícil porque las relaciones causa-efecto implicadas son sutiles.Doug McLean Aerodynamic Lift, Part 1: The Science The Physics teacher, November, 2018 Una explicación exhaustiva que capte todos los aspectos esenciales es necesariamente compleja. También hay muchas explicaciones simplificadas, pero todas dejan partes significativas del fenómeno sin explicar, mientras que algunas también tienen elementos que son simplemente incorrectos."Hay muchas teorías sobre cómo se genera la sustentación. Desafortunadamente, muchas de las teorías que se encuentran en enciclopedias, en sitios web e incluso en algunos libros de texto son incorrectas, lo que causa una confusión innecesaria a los estudiantes." NASA "La mayoría de los textos presentan la fórmula de Bernoulli sin derivar, pero también con muy pocas explicaciones. Cuando se aplica a la sustentación de un perfil aerodinámico, la explicación y los diagramas son casi siempre erróneos. Al menos para un curso introductorio, la sustentación en un perfil aerodinámico debería explicarse simplemente en términos de la Tercera Ley de Newton, siendo el empuje hacia arriba igual a la tasa de cambio de momento del aire hacia abajo". Cliff Swartz et al. Quibbles, Misunderstandings, and Egregious Mistakes - Survey of High-School Physics Texts THE PHYSICS TEACHER Vol. 37, May 1999 p. 300 "Una explicación de cómo un ala... da sustentación es que, como resultado de la forma del perfil aerodinámico, el aire fluye más rápido por la parte superior que por la inferior porque tiene que viajar más lejos. Por supuesto, con nuestras velas de perfil delgado, la distancia a lo largo de la parte superior es la misma que a lo largo de la parte inferior, por lo que esta explicación de la sustentación falla". The Aerodynamics of Sail Interaction de Arvel Gentry Proceedings of the Third AIAA Symposium on the Aero/Hydronautics of Sailing 1971 <ref>"Una explicación que se da con frecuencia es que la trayectoria a lo largo de la parte superior de la superficie aerodinámica es más larga y, por tanto, el aire tiene que ser más rápido. Esta explicación es errónea". A comparison of explanations of the aerodynamic lifting force Klaus Weltner Am. J. Phys. Vol.55 January 1, 1987</ref>"La sustentación del cuerpo es sencilla... es la reacción del cuerpo sólido al giro de un fluido en movimiento... Ahora bien, ¿por qué gira el fluido de la forma en que lo hace? Ahí es donde entra la complejidad, porque se trata de un fluido. ...La causa de que el flujo gire es la conservación simultánea de masa, momento (tanto lineal como angular) y energía por parte del fluido. Y es confuso para un fluido porque la masa puede moverse y redistribuirse (a diferencia de un sólido), pero sólo puede hacerlo de forma que conserve el momento (masa por velocidad) y la energía (masa por velocidad al cuadrado)... Un cambio de velocidad en una dirección puede causar un cambio de velocidad en una dirección perpendicular en un fluido, lo que no ocurre en la mecánica de sólidos... Así que describir exactamente cómo gira el flujo es un problema complejo; demasiado complejo para que la mayoría de la gente lo visualice. Así que nos inventamos "modelos" simplificados. Y cuando simplificamos, dejamos algo fuera. Así que el modelo es defectuoso. La mayoría de las discusiones sobre la generación de sustentación se reducen a que la gente encuentra los fallos en los distintos modelos, por lo que los argumentos suelen ser muy legítimos." Tom Benson, del Centro de Investigación Glenn de la NASA, en una entrevista con AlphaTrainer.Com
Explicaciones físicas simplificadas de la sustentación en un perfil aerodinámico . Un perfil aerodinámico es una forma aerodinámica capaz de generar mucha más sustentación que resistencia.Clancy, L. J., Aerodynamics, Section 5.2 Una placa plana puede generar sustentación, pero no tanta como un perfil aerodinámico, y con una resistencia algo mayor. La mayoría de las explicaciones simplificadas siguen uno de los dos enfoques básicos, basados en las leyes del movimiento de Newton o en el principio de Bernoulli."Both approaches are equally valid and equally correct, a concept that is central to the conclusion of this article." Charles N. Eastlake An Aerodynamicist’s View of Lift, Bernoulli, and Newton THE PHYSICS TEACHER Vol. 40, March 2002 Doug McLean Aerodynamic Lift, Part 2: A comprehensive Physical Explanation The Physics teacher, November, 2018 Explicación basada en la deflexión del flujo y las leyes de Newton . Un perfil aerodinámico genera sustentación al ejercer una fuerza descendente sobre el aire a su paso. Según la tercera ley de Newton, el aire debe ejercer una fuerza igual y opuesta (hacia arriba) sobre el perfil aerodinámico, que es la sustentación."...el efecto del ala es dar a la corriente de aire una componente de velocidad descendente. La fuerza de reacción de la masa de aire desviada debe entonces actuar sobre el ala para darle una componente ascendente igual y opuesta." En: Anderson y Eberhardt (2001)Langewiesche (1944)"Cuando el aire fluye por encima y por debajo de un perfil aerodinámico inclinado un pequeño ángulo respecto a su dirección, el aire se desvía de su curso. Ahora bien, cuando un cuerpo se desplaza con velocidad uniforme en línea recta, necesita una fuerza para alterar su dirección o su velocidad. Por lo tanto, las velas ejercen una fuerza sobre el viento y, puesto que acción y reacción son iguales y opuestas, el viento ejerce una fuerza sobre las velas." En: