Cómo funciona una hélice

La hélice es la pieza que transforma la energía mecánica generada por el motor en la fuerza, que llamamos empuje, que permite al avión avanzar gracias a que su perfil aerodinámico provoca cambios en la presión y velocidad del aire. Está sujeta al eje del cigüeñal, encargado de transmitir el trabajo del motor a un movimiento giratorio que mueve la hélice, la cual está formada por las palas o aspas, montadas de forma concéntrica al eje que al girar, las obliga a trazar un movimiento rotativo. Las hélices pueden funcionar tanto en el agua como en el aire, aunque aquí hablaremos de estas últimas, pero os dejo la idea de que una hélice diseñada para un medio es muy poco eficiente en el otro.

Las palas no son planas, tienen una forma curva, obteniendo así en cada lado una diferencia de distancias entre el principio y el fin de la pala. Esta asimetría provoca una diferencia en las velocidades del aire entre una cara y la otra. Todo esto se basa en el principio de Jakob Bernoulli quién describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Este principio se deriva de la segunda ley del movimiento de Isaac Newton.

Esta diferencia de velocidad conlleva una diferencia de presión, lo que acarrea la aparición de una fuerza perpendicular, que llamamos propulsora, al plano de rotación de las palas, por lo que el movimiento circular de avance es originado por el propio diseño de la hélice al crear la forma de las palas una corriente de aire hacia atrás y consecuentemente, el avión es impulsado hacia adelante. Aunque en honor a la verdad, la aplicación de estas teorías se las debemos al ingeniero naval William Froude que trabajó con hélices marinas y el empuje de los buques, antes de que nadie hubiese pensado en subirse a un avión.

Geométricamente, debido a que el extremo de la hélice gira a mayor velocidad que la parte más cercana al eje, se compensa esta diferencia para producir una fuerza de forma uniforme, disminuyendo el ángulo de incidencia o torsión hacia los extremos de forma progresiva para reducir las tensiones internas y evitar vibraciones.

El aspa de una hélice tiene una sección en cruz similar al del ala y, al impulsarse en el aire, produce un movimiento de ascenso perpendicular y empuje paralelo a la velocidad del aire relativa a la sección del aspa. Así, las fuerzas debidas al movimiento de la hélice tienen dos componentes, la de empuje, en la dirección del vuelo y la del plano de rotación o fuerza de giro del motor. El movimiento completo de la hélice combina el impulso hacia adelante, representado por la velocidad de vuelo, y el impulso centrífugo debido a la rotación de cada pala. Llamamos paso de la hélice a la distancia del recorrido de una hélice hacia delante durante una revolución en vuelo.

La sección transversal de la hélice tiene un perfil aerodinámico y la mayoría suelen rotar en sentido horario o el de las agujas del reloj, cuando se mira al morro del avión desde la cola. Y debemos distinguir entre el viento relativo que impacta en el perfil del ala, el ángulo de ataque del ala existente en la cuerda del perfil y el viento relativo, el ángulo de la hélice y el de la pala. Ahora nos encontratremos con un equilibrio, el del mayor paso para avanzar más y el del rozamiento del aire proporcional al paso, que además haría que la hélice se curvase todavía más.

Y como no puede ser de otra manera, mover las hélices cuesta la energía que se consume, la que el motor tiene que ser capaz de producir. Las hélices de nuestras avionetas suelen tener dos palas que simulan la forma geométrica de la rosca de un tornillo. La distancia que una hélice se desplaza hacia adelante por cada vuelta completa del eje se conoce como avance geométrico o eficiente, si consideramos las pérdidas en la transmisión, que en nuestro caso ronda un 90% y que en los buques es cercana al 50%.

Aunque hay hélices de otros materiales como aluminio, nylon o poliéster, las hélices de las avionetas suelen ser de madera, son duras y compactas, no vibran y se construyen de una sola pieza. Las más utilizadas proceden del haya, arce o nogal. Tienen el inconveniente de que son bastante caras y aguantan pocos golpes.

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