AERODINÁMICA: POR QUE VUELAN LOS AVIONES
Durante el vuelo horizontal a velocidad uniforme, las fuerzas que actúan sobre el avión, elevación, empuje, gravedad y resistencia de avance, se equilibran exactamente.
Para acelerar, un avión debe tener mas empuje que la resistencia al avance, para subir, mas sustentación que peso.
Al finalizar la primera década del siglo XX , los diseñadores de aeronaves sabían mas sobre la construcción de aviones que sobre el verdadero motivo que les hacia volar.
Pero ese vació se fue llenando gradualmente lejos de los campos de aviación gracias a científicos que estudiaban una nueva disciplina llamada aerodinámica, una rama de la física teórica que trataba el comportamiento del aire en movimiento.
Los mas destacados entre los primeros expertos en aerodinámica fueron dos hombres, Ludwig Prand de Alemania y Frederik W Lanchester de Gran Bretaña, que llegaron independientemente a lo que se conocería como la teoría de circulación de sustentación.
Los dos investigadores profundizaron en el trabajo de científicos anteriores, especialmente del suizo Daniel Bernoulli y el británico Sir George Cayley. Bernoulli había descubierto en 1738 que cuando la velocidad del fluido aumenta y el aire es fluido. su presión desciende.
Cayley había estudiado el poder de sustentación de las alas. Después de años de análisis de Prand y lanchester determinaron que la sustentación resulta nada mas que una diferencia en la presión del aire por encima y por debajo de un ala.
La sustentación se produce porque el aire fluye mas de prisa sobre la parte superior curvada de un ala por debajo de ella. La diferencia velocidad genera un área de baja presión por encima del ala que se combina con un área de gran presión por debajo para sustentar el ala. Cuando mas fluye el aire, mayor será la sustentación.
La sustentación puede aumentar inclinando el ala en un Angulo superior de ataque, pero solamente hasta unos 15 grados o así. A partir del ahi el flujo de aire se hace turbulento y destruye la sustentación, el ala entra en perdida (de sustentación).
Prandl también estudio la naturaleza de la resistencia al avance producida por la fricción, uno de los tres tipos de resistencia , o resistencia al aire, que afectan al avión.
Constato que los efectos de la resistencia al avance producida por la fricción estaban limitados al aire mas cercano a la superficie del ala, la capa limite.
Mantener la capa limite fluyendo suavemente era esencial para minimizar la resistencia al avance por fricción
La resistencia al avance producida por la fricción tiene su origen en la pegajosidad, o viscosidad, del aire, que se adhiere a las alas en lo que se llama capa limite (verde). Dentro de esta región las moléculas de aire que tocan el ala contribuyen mas a las resistencia que lo hacen las moléculas por fuera de la capa limite.
La resistencia al avance producida por la forma es el resultado de la resistencia del aire ante el cuerpo que lo esta atravesando. Las formas abruptas crean mayor cantidad resistencia al avance, especialmente a grandes velocidades.
Así pues, el aerodinamizar la aeronave, reduciendo el numero componentes que sobresalen en el flujo aire y dando al avión una forma que suavice el flujo de aire sobre el, ha cobrado una importancia cada vez mayor.
En este diagrama, las bandas estrechas de color muestran las partes del flujo de aire que provocan la resistencia al avance inducida. El flujo de alta presión por debajo del (violeta) se arremolina alrededor de la puntadel ala dentro del flujo de baja presión que tiene por encima (azul), creando un vértice espiral que retiene al avión. Las bandas anchas de colores representan el flujo de aire suficientemente alejado de la punta del ala para no contribuir a la resistencia al avance inducida.
RESUMEN HISTÓRICO SOBRE LA TEORÍA DEL FLUIDO EN MOVIMIENTO Y EL DESARROLLO DE LA AERODINÁMICA.
Introducción de la aerodinámica
Hasta la década de los 40 la resolución de los problemas del vuelo subsónico era predominante en el campo de la aeronauticaza mayoría de los estudios de diseño se llevaban a cabo tomando como base un aire incompresible, es decir suponiendo que el aire no podía ser comprimido por un cuerpo que se desplazaba a trabes de el.Durante la última parte de la II Guerra Mundial se presentaron varios casos de difícil control y de oscilaciones irregulares a grandes velocidades, especialmente en picados.Pronto se descubrió que este y otros efectos eran debidos a que el aire es comprensible.La gama de velocidades que se debe ser consideraba en los vuelos actuales se divide en cuatro regimenes distintos, denominado subsónico, transonico, supersónico e hipersónico.
PERFILES ALARES
Un ala es una superficie diseñada para proporcionar sustentación.Su sección vertical en la dirección del avance del avión se denomina perfil alar. En aerodinámica se suele denominar perfil alar a la sección de una ala infinita envergadura, con lo cual no es preciso tener en cuenta los efectos del fuselaje del avión o de la punta de las alas.
La Nasa y otros centros de investigación han desarrollado y clasificado diversas familias de perfiles alares. Los estudios de las características de estas familias han ayudado a incrementar nuestros conocimientos de sustentación eficiente.
Aerodinámica subsónica
La teoría del la sustentación esta basada en las fuerzas generadas por un cuerpo y un fluido en movimiento en el cual se encuentra sumergido. En el vuelo subsónico la velocidad de las partículas del fluido no excede nunca la velocidad del sonido en ningún punto.El aire es el fluido en el cual el avión esta elevado por la reacción del flujo del aire alrededor del perfil del ala y otras partes del avión.Se considera que el aire esta compuesto de un gran numero de pequeños partículas. En un flujo constante o uniforme la trayectoria de cada partícula se denomina línea de corriente. Las líneas de corriente son siempre tangentes a la velocidad instantánea del gas en cada punto, pueden formar circuitos cerrados o extenderse hasta el infinito, pero las partículas de gas no pueden fluir transversalmente a las líneas de corrientes velocidades inferiores a unos 260 nudos se puede considerar el aire como incompresible. Con esta suposición el aire no se comporta de manera diferente al agua y es clasificado como un fluido. Si además se considera que se puede despreciar el efecto de viscosidad, se clasifica el aire como un fluido perfecto.Incluso con restricciones que parecen tan severas, los especialistas en aerodinámica han sido capaces de obtener una gran cantidad de información.
Continuidad
El primer concepto básico es el del principio de continuidad. Este principio expresa, en general, el hecho de que el fluido ni se crea ni se crea ni se transforma. Se observa en el grafico. El perfil de un ala subsónica. En el perfil de ala simétrico coinciden la cuerda y la cuerda media aerodinámica. La medida de los perfiles del ala se realizan con referencia a fracciones de la longitud de la cuerda.La curvatura positiva del extradós y la negativa del intrados se pueden medir como la distancia perpendicular desde el extradós o el intrados a la cuerda del ala.
Fuerzas debidas al flujo del fluido
Jean le Rond d Alamber (1717-1783), matemático y enciclopedista francés, fue el descubridor de la denominada “paradoja de d´Alambert”, al estudiar las fuerzas que un fluido ideal ejercía sobre los cuerpos solidos.Sus cálculos demostraban que el fluido no ejercía ninguna fuerza sobre el cuerpo al pasar alrededor del mismo.
Por ejemplo, según los cálculos matemáticos, el flujo de aire alrededor de un cilindro de infinita longitud, no ejercía ninguna fuerza sobre el cilindro. D´Alambert comprendía que tal conclusión era falsa, por que los experimentos demostraban claramente que se ejercía una fuerza, nunca fue capaz de corregir sus cálculos
En el siglo XIX Lord Rayleigh (1842-1919), tratando de explicar la trayectoria sesgada de una pelota de tenis cuando se la golpea de determinada forma, estudio el flujo alrededor de un cilindro rotatorio.
Reconoció que el fluido real, que es viscoso, quedaría adherido al cilindro. Por lo tanto, la rotación añade un componente circulatorio a la velocidad en la superficie del cilindro. En comparación con la circulación en la figura anterior hay un aumento de velocidad en la superficie superior del cilindro y una disminución en la superficie inferior.
La ley de Bernouilli demuestra que hay una disminución del presión en la superficie superior y un aumento en la inferior, lo que produce una fuerza F por unidad de longitud del cilindro perpendicular a la dirección del flujo.
Circulación
Los científicos comprendieron regidamente que el movimiento circulatorio causado por la rotación del cilindro de Rayleigh era un ingrediente que había solo ignorado en los modelos matemáticos teóricos. Así lo demostraron el ingeniero ingles Frederick W Manchester (1876-1946) a finales del siglo XIX, y a principio del siglo XX el matemático alemán Wihelm Kata (1867-1944) y el matemático y profesor de mecánica ruso Nicolás E Joukowski.Si esta corriente era circular, el flujo alrededor de un perfil alar seria el que vemos en la figura, la velocidad en el borde de fuga de salida es infinita.
Joukowski fue capaz de demostrar posteriormente una relación bastante simple entre la circulación alrededor de un cuerpo bidimensional y la fuerza aerodinámica por unidad de longitud ejercidas sobre el.
Fuerza= Densidad del fluido * Velocidad a la que el cuerpo se mueve dentro del fluido * circulación
Fuerzas que actúan en el perfil alar
C= Cuerda geométrica / c= Cuerda media aerodinámica del ala / α= angulo de ataque que forma con la velocidad relativa del viento V.Las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el perfil alar se pueden resumir de la siguiente manera, una fuerza F actuando en un punto, un momento M respecto a ese punto, la fuerza F se descompone en dos componentes la Sustentación (L), que actúa perpendicular al viento relativo y la resistencia aerodinámica D que actúa en paralelo al viento relativo.
Capa Limite
Un fluido ideal no tienen viscosidad y, por lo tanto, no tiene capacidad de resistir a la deformación producida por una fuerza cizalladota. Como la viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a evitar el movimiento de una parte del fluido con respecto a la otra, se deduce que todo fluido real, y por lo tanto viscoso, se resistirá al paso de un cuerpo sumergido en el.
La viscosidad puede ser entendida pensando en la diferencia entre el aceite y el agua,el aceite es consideramente mas viscoso que el agua.
Dentro de la capa en la cual produce una varacion de la velocidad se denomina capa limete,el espesor de la capa limité normal en el varia desde pequeñas fracciones de cmm, en el borde de ataque del ala hasta un espesor de 30 cm en el borde de salida de un avión grande como el Boeing 747.
Hay dos tipos de capa limité, laminar y turbulento, la capa laminar tiene un flujo muy parejo, mientras la capa limite turbulento tiene remolinos-torbellinos.
Osborne Reynolds (1842-1929), desarrollo las relaciones básicas que nos permiten calcular que tipo de capa limité existe en un fujo determinado, desarrollo un numero que nos permite diferenciar los tipos de capa limite, el numero de Reynolds.
RN= DENSIDAD DEL FUIDO * VELOCIDAD DE LA CORRIENTE * LONGITUD CARACTERÍSTICAS / COEFICIENTE DE VISCOCIDAD DEL FLUIDO
Prandl hacia estos descubrimientos, Orville y Wilbur Wright desarrollaron una teoría de como las hélices generan empuje, y demostraron que cada pala actúa como una ala que gira verticalmente.
La hélice de un avión, que convierte la energía rotativa del motor en empuje, tiene palas que realmente son planos aerodinámicos. A medida que giran, el aire que pasa entre ellas crea una zona de baja presión delante de ella, lo que empuja al avión hacia adelante.
AERODINÁMICA SUPERSÓNICA
Vamos a considerar el flujo de velocidades superiores a la velocidad del sonido. Los aviones de caza de la II Guerra Mundial alcanzaban velocidades que producían, en determinados puntos críticos del avión, flujos de velocidad local de 1,0 Mach y superiores, aunque la velocidad del avión fuera inferior a la velocidad del sonido.A bajas velocidades, por debajo de los 260 nudos (480 km/h), el aire actúa como un fluido incompresible. Sin embargo, cuando aumenta la velocidad, la densidad del aire que rodea al avión cambia, y esta fenómeno se va haciendo cada vez mas importante. Cuando la velocidad del flujo del aire alcanza la velocidad del sonido en algún punto del avión, la resistencia aerodinámica del avión aumenta en una proporción mucho mayor de la calculada por la teoría aerodinámica subsónica. Los principios subsónico no son aplicados a todas las velocidades por encima de este punto.El numero de MACH es la relación entre la velocidad de movimiento de partida por la velocidad del sonido. El termino es debido al físico y filosofo austriaco Ernst Mach (1836-1916), el avión que vuela a la velocidad del sonido eata volando a “un mach”.El aumento de presión se consigue en el vuelo supersónico mediante las ondas de choque (ondas de compresión), la disminución de la presión en el vuelo supersónico se consigue mediante las ondas de expansión.
Características del flujo supersónico
Cuando un avión vuela a velocidades subsónicas, el aire que se encuentra por delante de el esta “avisado” de la llegada del avión por un cambio de presión que se transmite delante del avión a la velocidad del sonido. A causa de este aviso el aire empieza a apartarse antes de que llegue el avión y esta preparado para dejarlo pasar fácilmente. Si el avión vuela a velocidades supersónicas el aire situado por delante de el no recibe ningún aviso de la llegada del avión porque el avión avanza a mas velocidad que sus ondas de presión. Los cambios en la presión del sonido solo se perciben en una región de forma cónica situada detrás del morro del avión. Como el aire no esta preparada para la llegada del avión deberá hacerse a un lado bruscamente para dejarlo pasar. Este brusco desplazamiento del aire se realiza mediante una onda de choque.
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