Fuerzas que Actuan en un Avion - Aerodinamica del Vuelo PDF

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Fuerzas que Actuan en un Avion - Aerodinamica del Vuelo...

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• Resistencia: fuerza de retardo hacia atrás causada por la irrupción del flujo de aire por el ala, el fuselaje, el rotor, y otros objetos que sobresalgan. La resistencia se opone al empuje, y actúa hacia atrás paralela al viento relativo.

en vuelo no acelerado, recto y nivelado, es cierto que las fuerzas opuestas de sustentación/peso son iguales. También son mayores que las fuerzas opuestas de empuje/resistencia que sólo son iguales entre sí. Por lo tanto, en vuelo estable:

• Peso: la carga combinada de la propia aeronave, la tripulación, el combustible y la carga o el equipaje. El peso tira del avión hacia abajo debido a la fuerza de la gravedad. Se opone a la sustentación, y actúa verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad (CG) de la aeronave.

• La suma de todas las fuerzas hacia arriba (no sólo de sustentación) es igual a la suma de todas las fuerzas hacia abajo (no sólo el peso).

• Sustentación: se opone a la fuerza hacia abajo del peso, se produce por el efecto dinámico del aire que actúa sobre el perfil aerodinámico, y actúa en forma perpendicular a la trayectoria de vuelo a través del centro de sustentación. En vuelo estacionario, la suma de estas fuerzas opuestas es siempre cero. No puede haber un desequilibrio de fuerzas en vuelo estable y recto, basado en la Tercera Ley de Newton, que establece que para cada acción o fuerza hay una igual, pero contraria, reacción o fuerza. Esto es cierto en vuelo nivelado o cuando asciende o desciende. Esto no significa que las cuatro fuerzas son iguales. Esto significa que las fuerzas opuestas son iguales, y por lo tanto cancelan los efectos de cada una. En Figura 4-1 los vectores de fuerza de empuje, resistencia, sustentación, y peso parecen ser del mismo valor. La explicación usual dice (sin estipular que empuje y resistencia, no son iguales a peso y sustentación), que empuje es igual a resistencia y peso es igual a sustentación. Aunque básicamente es cierto, esta declaración puede ser engañosa. Se debe entender que,

• La suma de todas las fuerzas hacia adelante (no sólo empuje) es igual a la suma de todas las fuerzas hacia atrás (no sólo la resistencia). Este perfeccionamiento de la antigua fórmula "empuje es igual a resistencia, sustentación es igual a peso" explica que una parte del empuje se dirige hacia arriba en los ascensos y actúa como si se tratara de sustentación mientras una parte del peso se dirige hacia atrás y actúa como si se tratara de resistencia. [Figura 4.2]

Figura 4-2. Vectores de fuerzas durante un ascenso En planeo, una parte del vector de peso se dirige hacia delante, y, por tanto, actúa como empuje. En otras palabras, en cualquier momento que la trayectoria de vuelo de la aeronave no está en posición horizontal, los vectores de sustentación, peso, empuje y resistencia deben ser divididos en dos componentes cada uno.

Figura 4-1. Relación de fuerzas actuantes en un avión

Las discusiones de los conceptos anteriores se omiten frecuentemente en los textos de aeronáutica/manuales. La razón no es que son intrascendentes, sino porque las ideas principales con respecto a las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un avión en vuelo se puede presentar en sus elementos más esenciales, sin

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Figura 4-3. Angulo de ataque a varias velocidades intervenir en los aspectos técnicos de la aerodinámica. En efecto, teniendo en cuenta solo el vuelo nivelado, y los ascensos y descensos estables, sigue siendo cierto que la sustentación provista por el ala o rotor es la principal fuerza hacia arriba, y el peso es la fuerza hacia abajo primaria. Mediante el uso de las fuerzas aerodinámicas de empuje, resistencia, sustentación, y peso, los pilotos pueden volar de forma controlada y segura. Una discusión más detallada de estas fuerzas se da posteriormente. Empuje Para que un avión se mueva, se debe ejercer un empuje y ser mayor que la resistencia. El avión seguirá avanzando y ganando velocidad hasta que el empuje y la resistencia sean iguales. Con el fin de mantener una velocidad constante, empuje y resistencia deben permanecer iguales, así como sustentación y peso deben ser iguales para mantener una altitud constante. Si en vuelo nivelado, la potencia del motor se reduce, se reduce el empuje y el avión se desacelera. Mientras el empuje sea menor que la resistencia, el avión continúa desacelerándose hasta que su velocidad no es suficiente para mantenerlo en el aire. Del mismo modo, si la potencia del motor se

incrementa, el empuje es mayor que la resistencia y la velocidad aumenta. Mientras el empuje continúe siendo mayor que la resistencia, el avión sigue acelerando. Cuando la resistencia iguale al empuje, el avión volará a una velocidad constante. El vuelo recto y nivelado puede ser sostenido en una amplia gama de velocidades. El piloto coordina el ángulo de ataque (AOA), el ángulo entre la línea de cuerda del perfil aerodinámico y la dirección del viento relativo, y el empuje en todos los regímenes de velocidad si la aeronave se debe mantener en vuelo nivelado. A grandes rasgos, estos regímenes pueden agruparse en tres categorías: baja velocidad de vuelo, vuelo de crucero, y el vuelo a alta velocidad. Cuando la velocidad es baja, el AOA debe ser relativamente alto, si se quiere mantener el equilibrio entre sustentación y peso. [Figura 4-3] Si disminuye el empuje y la velocidad disminuye, la sustentación se hace menor que el peso y el avión comienza a descender. Para mantener vuelo nivelado, el piloto puede aumentar el AOA una cantidad que va a generar una fuerza de sustentación igual al peso de la aeronave. Mientras el avión vuela más despacio, todavía mantiene el vuelo nivelado si el piloto tiene debidamente coordinados empuje y AOA.

Figura 4-4. Algunas aeronaves tienen la habilidad de cambiar la dirección del empuje

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El vuelo recto y nivelado a baja velocidad ofrece unas condiciones interesantes en relación con el equilibrio de fuerzas, ya que con el avión en una actitud de nariz arriba, hay una componente vertical del empuje que le ayuda a sustentarlo. Por un lado, la carga alar tiende a ser menos de lo esperado. La mayoría de los pilotos son conscientes de que un avión entrará en pérdida, en igualdad de condiciones, a una velocidad inferior con potencia que sin potencia. (El flujo de aire inducido por la hélice sobre las alas también contribuye a ello.) Sin embargo, si el análisis se limita a las cuatro fuerzas, como generalmente se hace en vuelo a baja velocidad el empuje es igual a la resistencia, y la sustentación es igual al peso. Durante vuelo recto y nivelado, cuando el empuje es incrementado y aumenta la velocidad, el AOA se debe reducir. Es decir, si los cambios han sido coordinados, el avión permanecerá en vuelo nivelado, pero a una velocidad mayor cuando se establece la relación apropiada entre el empuje y el AOA.

no está asociada con la producción de sustentación. Esto incluye el desplazamiento del aire por los aviones, la turbulencia generada en la corriente de aire, o una interferencia del aire que se mueve sobre la superficie de la aeronave y el perfil aerodinámico. Hay tres tipos de resistencia parásita: resistencia de forma, resistencia de interferencia, y fricción. Resistencia de forma Resistencia de forma es la parte de la resistencia parásita generada por la aeronave debido a su forma y el flujo de aire alrededor de ella. Los ejemplos incluyen las cubiertas de motores, antenas, y la forma aerodinámica de otros componentes. Cuando el aire tiene que separarse para moverse alrededor de un avión y sus componentes, eventualmente se unen después de pasar por el cuerpo. Qué tan rápido y sin problemas se reúne es representativo de la resistencia que crea y requiere de fuerza adicional para lograrlo. [Figura 4-5]

Si el AOA no se coordina (disminuye) con el incremento de empuje, el avión ascenderá. Sin embargo, disminuyendo el AOA se modifica la sustentación, manteniéndose igual al peso, y el avión permanece en vuelo nivelado. El vuelo nivelado a AOA ligeramente negativo es posible a muy alta velocidad. Es evidente entonces, que el vuelo nivelado se puede realizar con cualquier AOA entre el ángulo de pérdida y los ángulos negativos relativamente pequeños que se encuentran a gran velocidad. Algunos aviones tienen la capacidad de cambiar la dirección del empuje en lugar de cambiar el AOA. Esto se logra pivotando los motores o vectorizando los gases de escape. [Figura 4-4] Resistencia Resistencia es la fuerza que resiste el movimiento de una aeronave en el aire. Hay dos tipos básicos: la resistencia parásita y la resistencia inducida. La primera se llama parásita, ya que de ninguna manera funciona en ayuda del vuelo, mientras que la segunda, la resistencia inducida, es el resultado de un perfil desarrollando sustentación.

Observe cómo la placa plana en la Figura 4-5 hace que el aire se arremoline en torno a los bordes hasta que finalmente se reúne aguas abajo. La resistencia de forma es la más fácil de reducir cuando se diseña un avión. La solución es hacer aerodinámicas el mayor número de piezas posible.

Resistencia parásita La resistencia parásita se compone de todas las fuerzas que trabajan para frenar el movimiento de un avión. Como el término parásita implica, es la resistencia que

Resistencia de interferencia La resistencia de interferencia proviene de la intersección de corrientes de aire que crean torbellinos, turbulencia, o restringe el flujo suave de aire. Por

Figura 4-5. Resistencia de forma

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ejemplo, la unión de las alas y el fuselaje en la raíz del ala genera una resistencia de interferencia significativa. El aire que fluye alrededor del fuselaje choca con el aire que fluye sobre el ala, se funden en una corriente de aire diferente a las dos corrientes originales. La mayor resistencia de interferencia se observa cuando dos superficies se encuentran en ángulos perpendiculares. Los carenados se utilizan para reducir esta tendencia. Si un avión de combate tiene dos tanques alares idénticos, la resistencia total es mayor que la suma de los tanques individuales, porque ambos crean y generan resistencia de interferencia. Los carenados y la distancia entre los perfiles alares y los elementos externos (tales como antenas de radar colgando de las alas) reducen la resistencia de interferencia. [Figura 4-6]

de la capa límite. La velocidad real a la que se mueven las moléculas depende de la forma del ala, la viscosidad del aire a través del cual el ala o la superficie de sustentación se está moviendo, y su compresibilidad (cuánto se puede compactar). El flujo de aire fuera de la capa límite reacciona a la forma del borde de la capa límite como lo haría a la superficie física de un objeto. La capa límite da a cualquier objeto una forma "efectiva" que suele ser ligeramente diferente de la forma física. La capa límite también puede separarse del cuerpo, creando así una forma efectiva muy diferente de la forma física del objeto. Este cambio en la forma física de la capa límite provoca una disminución dramática en la sustentación y un incremento en la resistencia. Cuando esto ocurre, la superficie de sustentación entra en pérdida. Con el fin de reducir el efecto de la resistencia por fricción, los diseñadores de aviones utilizan remaches empotrados y eliminan cualquier irregularidad que pueda sobresalir por encima de la superficie del ala. Además, una terminación lisa y brillante ayuda en la transición del aire a través de la superficie del ala. Dado que la suciedad en un avión interrumpe el flujo libre de aire y aumenta la resistencia, mantenga las superficies de un avión limpias y enceradas.

Figura 4-6. La raíz alar puede causar resistencia de interferencia Resistencia por fricción La resistencia por fricción es la resistencia aerodinámica debida al contacto de aire en movimiento con la superficie del avión. Todas las superficies, no importa lo aparentemente lisas, tienen una superficie áspera, irregular cuando se observan bajo un microscopio. Las moléculas de aire, que entran en contacto directo con la superficie del ala, están prácticamente inmóviles. Cada capa de moléculas sobre la superficie se mueve un poco más rápido hasta que las moléculas se mueven a la velocidad del aire alrededor de la aeronave. Esta velocidad se denomina velocidad de corriente de aire libre. El área entre el ala y el nivel de velocidad de corriente libre es casi tan gruesa como una carta y se llama capa límite. En la parte superior de la capa límite, las moléculas aumentan la velocidad y se mueven a la misma velocidad que las moléculas fuera

Resistencia inducida El segundo tipo básico de resistencia es la resistencia inducida. Es un hecho físico que no existe un sistema que funciona en sentido mecánico que pueda ser 100 por ciento eficiente. Esto significa que cualquiera que sea la naturaleza del sistema, el trabajo requerido se obtiene a expensas de ciertos trabajos adicionales que se disipan o se pierden en el sistema. Cuanto más eficiente sea el sistema, menor será la pérdida. En vuelo nivelado las propiedades aerodinámicas de un ala o rotor producen una sustentación requerida, pero esto sólo puede obtenerse a expensas de una determinada penalidad. El nombre dado a esta penalidad es resistencia inducida. La resistencia inducida es inherente cada vez que un perfil aerodinámico genera sustentación y, de hecho, este tipo de resistencia es inseparable de la producción de sustentación. Consecuentemente, siempre está presente si se produce sustentación. Una superficie de sustentación (ala o pala de rotor) produce la fuerza de sustentación haciendo uso de la

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energía de la corriente de aire libre. Cada vez que un perfil produce sustentación, la presión en la superficie inferior de la misma es mayor que en la superficie superior (Principio de Bernoulli).Como resultado, el aire tiende a fluir desde el área de alta presión debajo de la punta hacia arriba a la zona de baja presión en la superficie superior. En las inmediaciones de la punta, hay una tendencia a que estas presiones se igualen, lo que resulta en un flujo lateral hacia afuera desde la parte inferior hacia la superficie superior. Este flujo lateral da una velocidad de rotación al aire en la punta, creando vórtices, que se extienden detrás del perfil alar. Cuando el avión es visto desde la cola, estos vórtices circulan en sentido antihorario sobre la punta derecha y horario sobre la punta izquierda. [Figura 4-7]Teniendo en cuenta el sentido de giro de estos vórtices, se puede observar que inducen un flujo de aire ascendente en la punta, y un flujo de aire descendente por detrás del borde de salida del ala. Esta corriente descendente inducida no tiene nada en común con la corriente descendente necesaria para producir sustentación. Es, de hecho, la fuente de la resistencia inducida. Cuanto mayor sea el tamaño y la fuerza de los vórtices y la consecuente componente de corriente descendente del flujo de aire sobre la superficie de sustentación, mayor será el efecto de la resistencia inducida. Este flujo descendente en la parte superior en la punta del perfil tiene el mismo efecto que inclinar el vector de sustentación hacia atrás; por lo tanto, la sustentación está un poco hacia atrás de la perpendicular al viento relativo, creando una componente de sustentación hacia atrás. Esta es la resistencia inducida.

Con el fin de crear una presión negativa mayor en la parte superior de un perfil aerodinámico, la superficie de sustentación puede ser inclinada a un mayor AOA. Si el AOA de un perfil simétrico fuera cero, no habría diferencia de presión y, en consecuencia, ningún componente de corriente descendente ni resistencia inducida. En cualquier caso, a medida que aumenta el AOA, la resistencia inducida aumenta proporcionalmente. Para decirlo de otra manera, a menor velocidad mayor es el AOA necesario para producir sustentación igual al peso de la aeronave y, por lo tanto, mayor la resistencia inducida. La resistencia inducida varía inversamente con el cuadrado de la velocidad. Por el contrario, la resistencia parásita aumenta con el cuadrado de la velocidad. Por lo tanto, mientras la velocidad disminuye a cerca de la velocidad de pérdida, la resistencia total es mayor, debido principalmente al fuerte aumento en la resistencia inducida. Del mismo modo, mientras la velocidad llega a la velocidad terminal de la aeronave, el total de resistencia se incrementa rápidamente de nuevo, debido al fuerte aumento de la resistencia parásita. Como se observa en la Figura 4-8, a una velocidad dada, la resistencia total se encuentra en su mínimo. Al calcular la máxima autonomía y alcance de las aeronaves, la potencia necesaria para vencer la resistencia está en su mínimo si la resistencia es mínima.

Figura 4-8. Resistencia versus velocidad

Figura 4-7. Vórtices de punta alar en un fumigador

Relación Sustentación / Resistencia La resistencia es el precio que se paga para obtener sustentación. La relación sustentación/resistencia (L/D, del inglés Lift/Drag) es la cantidad de sustentación generada por un ala o superficie aerodinámica en comparación a su resistencia. La relación L/D indica la eficiencia aerodinámica. Las aeronaves con mayor L/D son más eficientes que aquellos con menor relación

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L/D. En vuelo no acelerado con sustentación y resistencia constante, las proporciones del CL y el coeficiente de resistencia (CD) se puede calcular para AOA específicos. [Figura 4-9] La relación L/D se determina dividiendo CL por CD, que es lo mismo que dividir la ecuación de sustentación por la ecuación de resistencia. Todos los términos excepto los coeficientes se anulan. L = sustentación en kilos D = Arrastre Donde L es la fuerza de sustentación en kilos, CL es el coeficiente de sustentación, ρ es la densidad expresada en masa por metro cúbico, V es la velocidad en metros por segundo, q es la presión dinámica por metro cuadrado, y S es la superficie de las alas en metros cuadrados. CD = relación entre la presión de resistencia y presión dinámica. Por lo general a bajos ángulos de ataque, el coeficiente de resistencia es bajo y pequeños cambios en el ángulo de ataque crean sólo ligeros cambios en el coeficiente de resistencia. A altos ángulos de ataque, pequeños cambios en el ángulo de ataque causan cambios significativos en la resistencia.

Las fórmulas anteriores representan el coeficiente de sustentación (CL) y el coeficiente de resistencia (CD) respectivamente. La forma de un perfil y otros dispositivos productores de sustentación (es decir, los flaps) tienen efecto en la producción de sustentación y la alteran con los cambios en el AOA. La relación sustentación/resistencia se utiliza para expresar la relación entre sustentación y resistencia y se determina dividiendo el coeficiente de sustentación por el coeficiente de resistencia, CL/CD. Observe en la figura 4-9 que la curva de sustentación (roja) alcanza su máximo para esta sección del ala en particular a 20° AOA, y luego disminuye rápidamente. 20° AOA es por lo tanto, el ángulo de pérdida. La curva de resistencia (amarilla) se incrementa rápidamente a partir de 14 ° AOA y supera completamente la curva de sustentación a 21° AOA. La relación sustentación / resistencia (verde) alcanza su máximo en 6° AOA, lo que significa que en este ángulo, la mayor sustentación se obtiene con la menor cantidad de resistencia. Note que la máxima relación de sustentación/resistencia (L/DMAX) se produce a un específico CL y AOA. Si la aeronave es operada en vuelo estable a L/DMAX, la resistencia total es mínima. Cualquier AOA menor o mayor que ese a L/DMAX reduce la L/D y por lo tanto aumenta la resistencia total para determinado sustentación. La f igura 4-8 muestra la L/DMAX por la parte más baja de la línea de color azul con la etiqueta "resistencia total". La configuración de la aeronave tiene un gran efecto en la L/D.

Figura 4-9. Coeficiente de sustentación a varios ángulos de ataque

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Peso La gravedad es la fuerza de tracción que tiende a atraer todos los cuerpos hacia e...