El laboratorio aerodinámico de Cuatro Vientos

En la revista "Ingeniería y construcción" de julio de 1923, se describe el túnel de viento de Cuatro Vientos. 

Las matemáticas han proporcionado al hombre de ciencia la manera de encerrar en fórmulas y gráficos la génesis y el desarrollo de los fenómenos físicos. Los beneficios obtenidos por la humanidad gracias a esos signos cabalísticos, que evocan y predicen, son incalculables; pero alguna vez, el afán de aprisionar con el algoritmo algebraico a la verdad rebelde ha dado lugar al nacimiento de fórmulas y teorías erróneas, que en vez de dar impulso al carro del progreso lo han frenado y detenido.

La aerodinámica ofrece uno de los más claros ejemplos de este perjudicial influjo de las teorías poco meditadas y de las fórmulas falsas. Un exponente junto a  una línea trigonométrica, un seno elevado al cuadrado, fue un dique interpuesto por el genio de Newton ante el avance de la aeronáutica. Con arreglo a la célebre y errónea fórmula del filósofo inglés, para sostener en el aire una.superficie de un metro cuadrado y un kilogramo de peso son necesarios 3,5 kilográmetros, cuando en realidad se precisa un trabajo cinco veces más pequeño. Zenón de Elea hubiera podido con aquella fórmula negar el vuelo de las aves, como negó el movimiento de la flecha lanzada por el arco, y los hombres de ciencia que dedujeron la absurda consecuencia de la fórmula de Newton prefirieron inventar extrañas fuerzas biológicas para explicar el hecho innegable de los animales voladores, en vez de acudir a la realidad para confirmar o rectificar los resultados de las hipótesis científicas y de los cálculos matemáticos.

Ha sido el motor de explosión quien ha resuelto los problemas del vuelo mecánico y del globo dirigible, y aunque Newton hubiera tachado el exponente en el seno del ángulo de ataque, no por eso habrían surcado el espacio aviones y dirigibles arrastrados por el vertiginoso giro de las hélices; pero el camino del aire se habría presentado al hombre más libre y más despejado, y quizá el vuelo sin motor, que ha seguido al mecánico, hubiera sido su predecesor y su guía.

Por eso la aerodinámica, tras de la brusca llamada a la realidad de los hermanos Wright al volar en contra de los cánones científicos, no se ha dejado llevar por los razonamientos matemáticos, sin comprobar a cada paso si eran ciertas o erróneas las consecuencias deducidas por la teoría. Y así aparecieron los laboratorios aerodinámicos, cobijado el primero de ellos por las férreas armaduras de la torre Eiffel y repartidos más tarde por todo el mundo civilizado. En Madrid se construyó uno por la iniciativa y bajo la dirección del comandante Herrera, que, sin limitarse a copiar los existentes, introdujo en él reformas y mejoras que le colocan en primera línea entre sus similares, y que vamos a dar a conocer a los lectores de INGENIERÍA Y CONSTRUCCIÓN.

Un laboratorio aerodinámico consta esencialmente de un tubo de gran diámetro, por el que una hélice poderosa lanza una fuerte corriente de aire.

En el interior del tubo se coloca el objeto a ensayar—un modelo de aeroplano, un perfil de ala, etcétera—, y con una balanza especial se mide la presión ejercida por el viento sobre él, mientras un anemómetro indica la velocidad del aire, causante del empuje.

El túnel del laboratorio de Cuatro Vientos es el de mayor diámetro del mundo (tres metros), y pertenece al grupo de los cerrados. En los laboratorios de túnel abierto, la hélice aspira el aire libre y lo lanza a través del tubo, que desemboca otra vez en la atmósfera, después de haber oprimido contra la balanza el objeto sometido a ensayo. En el de Herrera, como puede verse en la figura, el aire recorre un circuito cerrado y vuelve a ser recogido por la hélice después de haber actuado sobre la balanza. 

La presión del viento sobre el modelo tiene una resultante, que es preciso medir exactamente en magnitud y en dirección; éste es el fin de la balanza aerodinámica proyectada y construida por Herrera, que vamos a tratar de describir en breves palabras.

Un bastidor de hierro se apoya sobre tres ruedas de eje horizontal; la fuerza con que estas ruedas oprimen al suelo, cuando azota el viento la superficie del modelo, rígidamente unido al bastidor, nos permitirá conocer la componente vertical de la presión del aire.

Otras dos ruedas, montadas en los extremos de dos barras horizontales, van a apoyarse en la pared; la presión ejercida por estas ruedas nos da la componente horizontal de la presión del viento. Y conocidos los valores de dos fuerzas rectangulares, es fácil calcular la magnitud y la dirección de la resultante.

Pero pudiera ocurrir que esta resultante no estuviera comprendida en el plano vertical que pasa por el eje del túnel. No bastaría entonces conocer su componente vertical y su componente horizontal en la dirección del eje del túnel; sería preciso conocer además una tercera componente, normal al eje del túnel, para formar así el paralelepípedo de las fuerzas y hallar la magnitud y la dirección de la resultante. Unas sencillas operaciones aritméticas (la aplicación del teorema de igualdad de momentos a tres ejes rectangulares) nos permitirán conocer los valores exactos de las tres componentes, siempre que podamos medir la presión ejercida, contra el suelo o contra la pared, por las cinco ruedas que sostienen la balanza.

Estas ruedas se apoyan sobre unos asientos de bolas, y éstos a su vez sobre unos émbolos perfectamente ajustados en unos cilindros llenos de mercurio. La presión ejercida por la rueda se traduce en un empuje sobre el mercurio, acusado por una columna graduada en comunicación con el cilindro. De los cinco cilindros (tres verticales y dos horizontales) parten otras tantas tuberías, que rematan en las cinco columnas graduadas que se ven en la figura. Un observador anota los valores de las presiones, u obtiene una fotografía instantánea de la tabla con las cinco columnas, si quiere determinar con exactitud los valores simultáneos de las cinco componentes.

La fotografía sirve además para conocer la velocidad del viento, gracias al anemómetro, ideado, lo mismo que la balanza, por el comandante Herrera. Se compone este aparato de una doble tubería, que se abre en la parte alta del túnel; por uno de sus extremos entra la corriente de aire, produciendo una presión; en el otro —el que tiene la misma dirección del viento—se produce una depresión.

En la parte inferior de la tubería hay un líquido coloreado, que sigue las oscilaciones de la corriente, elevándose en la rama en que se ha producido la aspiración y descendiendo en la sometida a aumento de presión. Una graduación unida a esta parte de la tubería permite medir el valor de la velocidad.

Los inconvenientes de este sistema, empleado en el laboratorio de Gottingen, saltan a la vista. La altura del líquido depende de la presión del viento, y ésta del cuadrado de la velocidad, y por lo tanto, las variaciones de altura, al variar la velocidad, son grandes o pequeñas, según sea el valor de esta última. Designando por z la altura del líquido, por v la velocidad y por k un factor de proporcionalidad, se tiene:

Es decir, que a un aumento dv de velocidad corresponde un aumento dz de altura del líquido, muy pequeño y difícil de apreciar si v es pequeño, muy grande, y exigiendo enormes longitudes de tubo si v es grande.

En el laboratorio de Eiffel se ha obviado esta dificultad colocando cuatro tubos en vez de uno. Cada tubo de éstos tiene una inclinación distinta; uno es vertical, otro tiene una pendiente de 1/2, otro de 1/4 y otro de 1/10. Un desnivel de un centímetro supone un avance de 10 centímetros en este último tubo, que puede emplearse para medir velocidades pequeñas, dejando los otros para las de mayor magnitud.

Balanza aerodinámica del comandante Herrera. En el centro se ve un modelo de aeroplano colocado entre las dos bocas del túnel. A la izquierda se ve el manómetro y la tabla donde van las cinco columnas que marcan los empujes de las cinco ruedas que sujetan la balanza.

Más elegante es la solución adoptada por el Instituto Experimental Aeronáutico italiano de utilizar un tubo curvado en cuadrante de circunferencia, con lo cual automáticamente se emplea la parte más inclinada (en la que a un pequeño aumento de nivel corresponde un recorrido de tubo relativamente grande) para alturas de líquido poco elevadas, y la parte más vertical para las mayores.

La sensibilidad del aparato no es, sin embargo, constante para todas las velocidades. 

En el laboratorio de Cuatro Vientos se ha curvado también la parte inferior del tubo anemométrico; pero no en cuadrante de circunferencia, sino en forma tal que la sensibilidad tenga un valor absolutamente constante para todas las velocidades.

Para ello es preciso que el incremento de longitud de tubo bañado interiormente por el líquido sea proporcional al incremento de velocidad, o sea (llamando ds al incremento de longitud de tubo): 

que es la ecuación diferencial de una cicloide de base horizontal referida a la vertical en el punto más bajo, como eje z, y cuya circunferencia generatriz es de radio gk. 

La ordenada máxima de esta cicloide se ha determinado conociendo la velocidad máxima de viento que se puede crear en el túnel (60 metros por segundo), y el valor k correspondiente al alcohol absoluto, líquido empleado en el anemómetro.

El comandante Herrera ha logrado, gracias a esta ingeniosa disposición, un anemómetro de sensibilidad constante y ha encontrado una nueva aplicación de la cicloide. ¿Qué otro título se le añadirá con tal motivo a esta curva, además de los de isócrona, braquistócrona y tautócrona?

Gracias a la balanza y al anemómetro, se pueden estudiar las resistencias que ofrecerán al viento todos los órganos del aeroplano y la sustentación que le proporcionarán las alas; pero aun queda un elemento importantísimo que es necesario conocer a fondo: la hélice. Y también el laboratorio de Cuatro Vientos dispone de un aparato original y único en el mundo, que permite con una simple lectura averiguar el par de giro de la hélice.

Sobre un caballete de hierro, y apoyado en dos cojinetes de bolas, va el eje en el que se ha de acuñar la

hélice. En la figura no está representada ésta, y sólo se ve sobre el caballete uno de los cojinetes y el piñón que recibe el movimiento del eje motor, que se ve, en corte, en el suelo, a la izquierda de la figura con el piñón de acero que pone en movimiento la cadena.

Si no hubiese interés en calcular el par de giro, ambos piñones (el del eje motor y el del eje de la hélice)

se unirían directamente, como se unen en una bicicleta el eje de pedales y el de la rueda posterior. Pero en el aparato de Cuatro Vientos la cadena recorre un camino un poco más complicado, gracias a otros dos piñones: uno fijo, situado un poco por debajo del eje de la hélice, y otro que puede deslizarse entre dos viguetas de hierro que van desde la pared lateral a uno de los extremos del caballete. Un tercer piñón móvil, colgando a modo de garrucha, soporta un peso de 400 kilogramos y obliga a los dos ramales de la cadena a permanecer tensos y paralelos.

Y ésta es la disposición que aparece en la figura. Como se ve, el ramal inferior va en línea recta desde el piñón del eje motor hasta el colocado debajo del soporte de la hélice, mientras que el superior forma un ángulo obtuso, cuyo vértice es el piñón que se desliza a lo largo de las viguetas de hierro. Ello es debido a otro peso de 1.000 kilogramos (representado en el ángulo inferior izquierdo de la figura), que tira de él a través de un cable y una polea. 

Las tensiones en los dos trozos de cadena que forman los lados del ángulo obtuso han de tener forzosamente por resultante el peso que tira del piñón, si está el conjunto en equilibrio. Es evidente que la tensión en estos ramales será grande o pequeña, según que sea mucha o poca la fuerza necesaria para mover la hélice; pero siempre su resultante ha de ser igual al peso que cuelga del cable.

Lo que ocurrirá al variar la tensión en los ramales es que se alterará su colocación, pues la resultante de

dos fuerzas variables puede ser constante, siempre que varíe el ángulo formado por aquéllas.

La posición del piñón móvil a lo largo de las viguetas de hierro nos indica, por lo tanto, el valor de la tensión de la cadena, y este número, multiplicado por el radio del piñón que mueve la hélice, nos da el valor del par de giro y justifica el nombre de pármetro con que el comandante Herrera ha bautizado a su aparato.

Para terminar, y para que en unos meses no pierda actualidad este trabajo, vamos a describir otra balanza aerodinámica, que no existe todavía, pero que no tardará mucho tiempo en instalarse en el laboratorio de Cuatro Vientos. La ha ideado el capitán de Ingenieros D. Jenaro Olivié, digno auxiliar y colaborador del comandante Herrera.

Si sujetamos con una mano uno de los lados de un paralelogramo articulado y con la otra ejercemos una  tracción sobre el lado opuesto, es evidente que el paralelogramo se deformará y los otros dos lados se colocarán en la dirección de la fuerza ejercida por nuestra mano. Y si en vez de sujetar el lado primero con toda la mano le cogiésemos sólo con dos dedos, de modo que pudiera girar alrededor del punto que oprimíamos, nos sería fácil contrarrestar la fuerza que a girar le obligaba sólo con colocar un

peso conveniente a una cierta distancia del paralelogramo.

Estos dos principios son los que ha aplicado el capitán Olivié a su balanza. En la figura puede verse un perfil de ala rígidamente unido al lado superior horizontal de un paralelogramo articulado y una flecha inclinada que representa la presión ejercida por el viento sobre el perfil. Los otros dos lados del paralelogramo han tomado automáticamente la misma inclinación que la presión del aire y permiten medir fácilmente el valor del ángulo formado por ésta con la horizontal o la vertical.

Falta determinar el valor numérico de esta presión, y para ello se recurre a un segundo paralelogramo articulado con dos lados horizontales de la misma dirección y magnitud que los del primero y con dos vértices articulados en los brazos no horizontales de aquél. Este segundo paralelogramo apoya uno de sus vértices superiores sobre un soporte representado en la figura por dos líneas de puntos. La presión del viento sobre el perfil del ala le haría bascular alrededor de este punto si no hubiera un peso móvil a lo largo del lado superior horizontal que la contrarresta. Conocidos el valor de ese peso y su distancia al punto de apoyo, conocemos el valor de par que ha deformado el primer paralelogramo. Y una sencilla medida geométrica (la distancia del punto de apoyo a un vértice del segundo paralelogramo) nos da a conocer el brazo de palanca de la componente vertical y nos permite deducir el valor exacto de ésta.

Pero nuestra visita al Laboratorio Aerodinámico de Cuatro Vientos se ha prolongado demasiado. Sólo nos hemos ocupado de lo más saliente, de lo absolutamente original, de lo único en los laboratorios aerodinámicos del mundo, y hemos dedicado a su rápida exposición más espacio del que pensábamos. Creemos, sin embargo, que basta lo expuesto para dar una idea de la cantidad de ciencia, trabajo e ingenio que hay encerrada entre los muros del laboratorio. Y creemos también que sobran los adjetivos encomiásticos y las frases de elogio, que después de lo explicado en este artículo sólo servirían para ofender la excesiva modestia del comandante Herrera y de sus colaboradores. 

Por M. MORENO-CARACCIOLO, Secretario del Real Aero Club de España

Emilio Herrera fue un ingeniero militar español. Pionero de la aeronáutica española. Miembro de una familia de ingenieros militares. Hijo del militar Emilio Herrera Ojeda (1828-1897) y de Rita Linares Salanova (1838-1905). Nieto del también militar José Agustín de Herrera García Gricelliz (1795-1865).En 1909 se casó con Irene Aguilera Cappa, hija de Ricardo Aguilera Paz, Consejero Inspector de Ingenieros de Caminos, Jefe de Obras Públicas de Guadalajara, y de María Cappa Gerard. El matrimonio tuvo dos hijos: José Herrera Aguilera "Petere" (1909-1977), escritor, Emilio Herrera Aguilera "Pikiki" (1917-1937).

Estudió en la Academia de Ingenieros de Guadalajara que dirigía Pedro Vives, hasta que en 1901 obtuvo el empleo de Teniente del Cuerpo de Ingenieros Militares. En 1903 se incorporó a la Escuela de Aerostación, adscrita al Cuerpo de Ingenieros y ubicada en Guadalajara. En ese año Herrera consiguió sus primeros títulos aeronáuticos: el de observador, el básico de piloto de aerostato y el de primera categoría el 15 de junio de 1905, que le permitió participar en la ascensión para la observación del eclipse solar del 30 de agosto de 1905 en Burgos. Participó en campañas de la aeronáutica militar en Marruecos.

En 1920 se inauguró el Laboratorio Aerodinámico de Cuatro Vientos (Madrid), fundado y diseñado por Herrera. En dicho Laboratorio realizó estudios y comprobaciones de la aplicación a la aeronáutica de las teorías matemáticas y físicas.Hizo comentarios a la teoría de la relatividad formulada por Albert Einstein y participó activamente, en su calidad de Vicepresidente de la Real Sociedad Matemática de España, en la visita que el físico alemán realizó a España en 1923.En 1932 presentó un proyecto para un viaje tripulado a la Luna y dos años más tarde, hizo lo propio con el diseño de un traje estratosférico que incluye su famosa "escafandra estratonáutica", predecesora de los trajes de astronauta, que la NASA hizo en base a sus estudios.

Se convirtió en el representante español en los foros internacionales, convirtiéndose en experto en Derecho Aeronáutico y fue reconocido por la Sociedad de Nacionales como Experto Internacional de Aviación en 1931.Junto a Torres Quevedo y Juan de la Cierva se le concedió el título de ingeniero aeronáutico por méritos e ingresó en la Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Durante la Guerra Civil se mantuvo leal a la II República y fue Jefe de los Servicios Técnicos y de Instrucción de las Fuerzas Aéreas de la República (FARE). En 1938 fue ascendido a General. Su hijo menor Emilio murió en acto de servicio en el frente de Belchite durante el desarrollo de la contienda.

Se instaló en París dónde inició su largo exilio viviendo el estallido de la II Guerra Mundial y la ocupación alemana de Francia. Su preocupación por la suerte de sus compatriotas exiliados le llevó a fundar junto a Pablo Picasso, Victoria Kent y otros la Unión de Intelectuales Españoles en 1944.

Fue presidente del Gobierno de la II República en el exilio entre 1960 y 1962. Herrera fue un referente para el exilio español por la integridad moral. Había entrado en el gobierno republicano para administrar las ayudas que se prestaban a los españoles, así como a los exiliados de la dictadura portuguesa. Murió en Ginebra a los 88 años de edad, en el domicilio de su hijo Petere. Fue repatriado a España en 1993 y enterrado en Granada en presencia del rey Juan Carlos I.