Al escucharse que en algunos de los accidentes aéreos dónde están involucradas aeronaves de carga, la principal causa fue en sobrepeso de estos aparatos, siempre surge la pregunta del porqué si pudieron decolar, no se pudieron mantener en el aire. La respuesta a este interrogante se puede dar explicando un fenómeno físico natural llamado efecto suelo, que se presenta cuando perfiles aerodinámicos se mueven cerca del suelo.
 

Una aeronave (sea de ala fija o rotatoria) cuando inicia la fase de decolaje o se aproxima a tierra para tocar suelo, se siente más ligera que cuando esta en vuelo libre, esto es debido al fenómeno del efecto suelo.

Para entender mejor este fenómeno físico natural, se deben conocer las fuerzas que actúan sobre un perfil cuando este se encuentra en movimiento relativo respecto a un flujo de aire, por lo que se explicaran a continuación.

En principio, sobre un perfil aerodinámico en movimiento se presentan dos fuerzas, la sustentación y el arrastre. Cuando nosotros sacamos una mano por fuera de la ventana de un automóvil en movimiento e inclinamos levemente la mano hacia arriba, experimentamos ambos efectos, esta trata de elevarse y al mismo tiempo trata de irse hacia atrás.

El primer efecto se conoce como sustentación, el segundo es el arrastre. En este ejemplo la mano esta reflejando el efecto que tiene un flujo de aire sobre un perfil aerodinámico, en otras palabras, copia los efectos sobre un ala.

El primer efecto, la sustentación, se puede explicar de manera muy sencilla. Cuando un perfil aerodinámico se encuentra en movimiento, se crean dos presiones diferentes sobre el perfil, una zona de alta presión bajo el perfil y una zona de baja presión sobre el perfil, la diferencia de estas zonas de presiones hace que el perfil trate de subir y esto es lo que se conoce como sustentación.

El segundo efecto, el arrastre, se explica comprendiendo como se genera. Cuando un avión esta volando a una altura considerable sobre el piso, las alas generan una zona de aire perturbado detrás de él, esta zona perturbada esta limitada por dos vórtices externos que se generan en las puntas de las alas, estos vórtices algunas veces son visibles en las puntas de las alas de los aviones que se encuentran realizando maniobras acrobáticas en las demostraciones aéreas. Cuando un avión de combate vuela a altos ángulos de ataque (inclinación), el vapor de agua que se encuentra suspendida en el aire se condensa por la baja presión que se genera en los vórtices y se pueden observar dos líneas curvas que se extienden hacia atrás de las puntas de las alas.

Se puede imaginar que una pequeña cantidad de energía es acumulada en las zonas de perturbación y en los vórtices que se generan en las puntas de las alas, un pequeño avión puede estrellarse cuando vuela a través de la zona perturbada y de los vórtices de las puntas del ala que genera un 747 que esta despegando en ese momento. La energía que se encuentra en la zona perturbada y en los vórtices, es energía desperdiciada, ya que esta energía tiene que ser reemplazada por los motores del avión, esta energía desperdiciada puede ser vista como arrastre, que resumiendo, es una fuerza que se opone al movimiento horizontal del avión.

El arrastre que se genera por la zona perturbada y los vórtices se conoce como arrastre inducido. El arrastre conocido como viscoso es causado por la fricción entre el aire y la superficie de la aeronave.

El arrastre inducido es creado por la circulación del aire alrededor de las puntas de las alas cuando estas se mueven a través del aire. Así al moverse el ala, la diferencia en las zonas de presión del ala crea una fuerza que empuja el ala hacia atrás. Explicados los dos efectos que se presentan sobre un perfil aerodinámico cuando sobre él incide un flujo de aire, podemos explicar que es la relación sustentación sobre arrastre. Para obtener el coeficiente de sustentación sobre el arrastre, los aeromodelistas vinculan escalas a la medida de cuanta sustentación esta siendo creada por el perfil y cuanto arrastre esta siendo inducido. Expresando la sustentación obtenida sobre el arrastre inducido como un número, podemos decir cuanta potencia se requiere para volar, así como cual es la eficiencia del perfil aerodinámico de la nave.

Ya conociendo que es la sustentación, el arrastre inducido, y el coeficiente que los relaciona, podemos ubicarnos en explicar que es el efecto suelo.

Cuando una aeronave esta volando cerca del suelo, la zona perturbada debajo y detrás del ala no es la misma que cuando esta vuela a gran altura, ya que el suelo limita la perturbación producida. Así, la zona de perturbación decrece y la extensión de los vórtices que se forman sobre las puntas de las alas se reduce.

La longitud del ala se incrementa aparentemente cuando el suelo esta cerca, los vórtices generados en la punta de las alas, así como la zona de aire perturbado se disminuye, por lo que hay menos energía acumulada en ellos. Por lo tanto, para el perfil aerodinámico de un avión, el efecto suelo se puede relacionar como un cojín de aire que es creado por la alta presión que se genera bajo el ala cuando el suelo esta próximo a ella. Cuando la distancia de la superficie del ala al suelo llega a ser pequeña, el aire puede estancarse bajo el ala, esto eleva la presión debajo de ella, a esta presión se le llama presión RAM.

El aumento de presión debido al aire que es atrapado bajo el ala, es determinado por la velocidad del perfil aerodinámico respecto al flujo, Gracias a este incremento de presión debajo del ala, la diferencia de presiones entre la parte superior y la parte inferior del ala aumenta, por lo que se aumenta la sustentación del ala.

Así mismo, debido al efecto suelo, menos arrastre es inducido, debido a la interacción del flujo del aire alrededor del ala con la superficie del suelo (lo mismo se aplica al agua). Cuando el ala se encuentra fuera del efecto suelo se presenta gran circulación de aire, al estar el ala dentro del efecto suelo la circulación se disminuye, disminuyendo la generación de vórtices y el tamaño de la zona de aire perturbada. El efecto global sobre la superficie aerodinámica es proporcional a la altura del ala sobre el suelo y el promedio del ancho del ala expresada como la longitud de esta sobre su cuerda.

Como se puede apreciar en la figura 1, la relación sustentación sobre arrastre aumenta conforme la relación altura del ala sobre la superficie sobre su cuerda disminuye. Para una relación de aspecto (longitud del ala sobre su cuerda)fijo, cuanto más cercano este el perfil alar al suelo, mayor es la eficiencia del ala. Para utilizar la figura 1 y conocer cual es la relación entre sustentación y arrastre de un ala cuando esta bajo el efecto suelo, debemos conocer la relación de aspecto del ala, así mismo debemos saber la relación entre la altura a la cual esta volando la aeronave y el promedio de la cuerda del perfil alar de la aeronave, conociendo estos dos datos, sobre el eje que contiene la relación sustentación arrastre se puede leer cual es el número resultante. Cuanto mayor es el número obtenido, la eficiencia del ala es mejor.

De la figura 2, la figura 2a nos muestra un ala en vuelo libre y la figura 2b nos muestra un ala bajo el efecto suelo, bajo este efecto la superficie efectiva del ala aumenta teniéndose el mismo efecto que si se tuviera un ala más grande pero sin la estructura física, el peso y el arrastre inducido asociado a esta.

En la figura 3, se muestra una simulación en computadora de un perfil aerodinámico convencional. La figura 3a muestra el perfil en vuelo libre y la figura 3b le muestra bajo el efecto suelo. Comparando el coeficiente de sustentación de ambos perfiles, se puede decir que el perfil que esta bajo el efecto suelo tiene un aumento en la sustentación de aproximadamente el 75 %. De la figura 3b, se puede observar el drástico aumento en la presión debajo del ala, este aire que se retiene bajo el ala forma lo que se conoce como cojín dinámico de aire. Adicionando láminas en los bordes de fuga de las alas (lo que se conoce como flaps) más aire es atrapado debajo del ala por lo que el ala puede flotar más y por lo tanto elevarse más fácilmente.

Como regla general, el efecto suelo se puede apreciar a 1 1/2 veces la longitud del ala medidos a partir del suelo, para aeronaves de ala fija.

Para aeronaves de ala rotatoria, los principios de sustentación y arrastre sobre el perfil aerodinámico son los mismos, la influencia del efecto suelo sobre estos principios difieren ligeramente con respecto a las aeronaves de ala fija.

Para un helicóptero, el requerimiento de una gran cantidad de potencia para suspenderse en el aire fuera del efecto suelo se reduce cuando este entra en la influencia de este efecto.

El efecto suelo mejora la condición de desempeño cuando el helicóptero opera cerca (dentro de 1/2 diámetro del rotor ) del suelo. Esto es debido a la interferencia de la superficie con el patrón del flujo del aire del sistema del rotor y es mas pronunciado en las cercanías del suelo. El incremento en la eficiencia de la paleta(ala rotatoria) mientras opera bajo el efecto suelo es debido a dos fenómenos distintos y separados.

El primero y el más importante es la reducción de la velocidad del flujo inducido, dado que el suelo interrumpe el flujo de aire bajo el helicóptero, el flujo entero es alterado, esto reduce la velocidad descendente del flujo inducido. El resultado es un menor arrastre inducido y una fuerza de sustentación más vertical. La sustentación necesaria para mantener el vuelo estacionario puede ser obtenida con una reducción del ángulo de ataque de la pala y menos potencia ya que la sustentación producida por la pala es mayor (figura 4).

El segundo fenómeno es la reducción del vórtice que se produce en el extremo de la pala del rotor. Cuando opera bajo la influencia del efecto suelo, el patrón de flujo descendiente y saliente tiende a restringir la generación de vórtices, esta hace la porción exterior de la pala del rotor más eficiente y reduce el sistema global de turbulencia por ingestión y recirculación de los remolinos de los vórtices (figura 4).

Para muchos helicópteros la eficiencia de las palas del rotor se incrementa por el efecto suelo en una medida de un diámetro del rotor. La figura 5 ilustra el porcentaje de incremento experimentado del empuje del rotor para varias longitudes de este.

Para una altitud de 1/2 diámetro del rotor, el empuje es incrementado cerca del 7 %. Para una altitud cercana a un diámetro del rotor, el incremento del empuje es pequeño y decrece a cero cuando la altura crece a cerca de 1 1/4 diámetros del rotor.

La máxima influencia del efecto suelo se experimenta cuando la aeronave se encuentra en vuelo estacionario sobre superficies lisas y pavimentadas, mientras vuelos estacionarios sobre superficies con grama alta, terrenos rugosos o agua, necesitan un poco mas de potencia en el rotor ya que el efecto suelo es seriamente reducido. Este fenómeno es debido al rompimiento parcial y cancelación del efecto suelo y el retorno de grandes patrones de vórtices con el consiguiente incremento de los ángulos de perturbación producidos por las palas del rotor.

En la figura 6, dos perfiles aerodinámicos idénticos, con igual ángulo de paso, son mostrados y comparados, El perfil que esta dentro de la influencia del efecto suelo es más eficiente porque opera a mayores ángulos de ataque y produce un mayor vector vertical de sustentación. Esto incrementa la eficiencia de la pala y resultando una menor velocidad descendente del viento inducido con el incremento del ángulo de ataque.

El perfil aerodinámico que opera fuera del efecto suelo es menos eficiente por que el incremento de la velocidad del viento inducido obliga a reducir el ángulo de ataque de la pala del rotor, ya que en cualquier momento este viento inducido puede provocar que el rotor deje de sustentar (entre en perdida) y el helicóptero se desplome.

Si un helicóptero en vuelo estacionario fuera del efecto suelo desciende y entra bajo el efecto suelo, la eficiencia de la pala se incrementa a un menor flujo inducido. Gracias a que la eficiencia del rotor se incrementa, el piloto reduce el ángulo de paso de las palas para restar flotación al helicóptero al mismo tiempo que se disminuye la potencia sobre el rotor para poder tocar tierra.

En las aeronaves de carga, la sustentación adicional que sienten cuando decolan, hace que estas puedan elevarse con sobrepeso, pero cuando salen fuera de la influencia del efecto suelo, esta sustentación extra que les ayudó desaparece; por lo que el avión se puede caer a tierra.