馃敶✈️ 141. Aviaci贸n 馃殎: Teor铆a del Vuelo - Aircraft Theory of Flight
Teor铆a del vuelo de la aeronave - Aircraft Theory of Flight
Antes de que un t茅cnico pueda plantearse realizar el mantenimiento de un avi贸n, es necesario entender las piezas que lo componen. Nombres como fuselaje, empenaje, ala, y muchos otros, entran en juego a la hora de describir qu茅 es un avi贸n y c贸mo funciona.
En el caso de los helic贸pteros, nombres como rotor principal, rotor antitorque y autorrotaci贸n vienen a la mente como una peque帽a parte de lo que hay que entender sobre los helic贸pteros. El estudio de la f铆sica, que incluye la aerodin谩mica b谩sica, es una parte necesaria para entender por qu茅 las aeronaves funcionan como lo hacen.
Las cuatro fuerzas del vuelo - Four Forces of Flight
Durante el vuelo, hay cuatro fuerzas que act煤an sobre un avi贸n. Estas fuerzas son la sustentaci贸n, el peso, el empuje y la resistencia. La sustentaci贸n es la fuerza ascendente creada por el ala, el peso es la atracci贸n de la gravedad sobre la masa, el empuje es la fuerza creada por la h茅lice o el motor de turbina del avi贸n y la resistencia es la fricci贸n causada por el aire que fluye alrededor del avi贸n.
Estas cuatro fuerzas se miden en libras. Cada vez que las fuerzas no est谩n en equilibrio, algo en el estado del avi贸n est谩 cambiando. Las posibilidades son las siguientes
El principio de Bernoulli y el flujo subs贸nico - Bernoulli’s Principle and Subsonic Flow
El concepto b谩sico del flujo de aire subs贸nico y los diferenciales de presi贸n resultantes fue descubierto por Daniel Bernoulli, un f铆sico suizo. El principio de Bernoulli, tal y como lo conocemos hoy en d铆a, establece que "a medida que la velocidad de un fluido aumenta, la presi贸n est谩tica de ese fluido disminuir谩, siempre que no se a帽ada ni se quite energ铆a".
Una aplicaci贸n directa del principio de Bernoulli es el estudio del aire cuando fluye a trav茅s de un paso convergente o divergente, y relacionar los resultados con algunos conceptos de la aviaci贸n.
La sustentaci贸n y la tercera ley de Newton - Lift and Newton’s Third Law
La tercera ley de Newton establece que para cada fuerza existe una fuerza de reacci贸n igual y opuesta. Adem谩s del principio de Bernoulli, la tercera ley de Newton tambi茅n puede utilizarse para explicar la sustentaci贸n creada por un ala.
A medida que el aire se desplaza alrededor de un ala y abandona el borde de fuga, el aire se ve obligado a moverse en direcci贸n descendente. Como se necesita una fuerza para que algo cambie de direcci贸n, debe haber una fuerza de reacci贸n igual y opuesta. En este caso, la fuerza de reacci贸n es lo que llamamos sustentaci贸n.
Para calcular la sustentaci贸n en base a la tercera ley de Newton, se utilizar铆a la segunda ley de Newton y la f贸rmula "Fuerza = Masa × Aceleraci贸n". La masa ser铆a el peso del aire que fluye sobre el ala cada segundo, y la aceleraci贸n ser铆a el cambio de velocidad que el ala imparte al aire.
La sustentaci贸n del ala descrita por el principio de Bernoulli y la sustentaci贸n del ala descrita por la tercera ley de Newton no est谩n separadas ni son independientes la una de la otra. Son s贸lo dos formas diferentes de describir la misma cosa, es decir, la sustentaci贸n de un ala.
Altitud y temperatura frente a la velocidad del sonido
| Altitud (Pies) | Temperatura (°F) | Velocidad del Sonido (MPH) |
| 0 | 59.00 | 761 |
| 1,000 | 55.43 | 758 |
| 2,000 | 51.87 | 756 |
| 3,000 | 48.30 | 753 |
| 4,000 | 44.74 | 750 |
| 5,000 | 41.17 | 748 |
| 6,000 | 37.60 | 745 |
| 7,000 | 34.04 | 742 |
| 8,000 | 30.47 | 740 |
| 9,000 | 26.90 | 737 |
| 10,000 | 23.34 | 734 |
| 15,000 | 5.51 | 721 |
| 20,000 | –12.32 | 707 |
| 25,000 | –30.15 | 692 |
| 30,000 | –47.98 | 678 |
| 35,000 | –65.82 | 663 |
| 36,089 * | –69.70 | 660 |
| 40,000 | –69.70 | 660 |
| 45,000 | –69.70 | 660 |
| 50,000 | –69.70 | 660 |
| 55,000 | –69.70 | 660 |
| 60,000 | –69.70 | 660 |
| 65,000 | –69.70 | 660 |
| 70,000 | –69.70 | 660 |
| 75,000 | –69.70 | 660 |
| 80,000 | –69.70 | 660 |
| 85,000 | –64.80 | 664 |
| 90,000 | –56.57 | 671 |
| 95,000 | –48.34 | 678 |
| 100,000 | –40.11 | 684 |
Nota:
* Altitud a la cual la temperatura deja de disminuir (Tropopausa est谩ndar).
Perfiles aerodin谩micos - Airfoils
Un perfil aerodin谩mico es cualquier dispositivo que crea una fuerza, basada en los principios de Bernoulli o en las leyes de Newton, cuando se hace fluir el aire sobre la superficie del dispositivo. Un perfil aerodin谩mico puede ser el ala de un avi贸n, el aspa de una h茅lice, el aspa del rotor de un helic贸ptero o el aspa del ventilador de un motor turbof谩n.
El ala de un avi贸n se mueve en el aire porque el avi贸n est谩 en movimiento, y genera sustentaci贸n por el proceso descrito anteriormente. En comparaci贸n, el aspa de una h茅lice, el aspa del rotor de un helic贸ptero o el aspa del ventilador de un motor turbof谩n giran en el aire. Estas palas giratorias podr铆an denominarse alas giratorias, como es habitual en los helic贸pteros cuando se denominan aviones de ala giratoria.
El ala giratoria puede verse como un dispositivo que crea sustentaci贸n, o igual de correcto, puede verse como un dispositivo que crea empuje.
Camber
El camber de un ala es la curvatura presente en las superficies superior e inferior. La curvatura en la parte superior es mucho m谩s pronunciada, a menos que el ala sea un perfil a茅reo sim茅trico, que tiene la misma curvatura en la parte superior e inferior.
La parte inferior del ala, la mayor铆a de las veces, es relativamente plana. El aumento de la curvatura en la parte superior es lo que hace que la velocidad del aire aumente y la presi贸n est谩tica disminuya. La parte inferior del ala tiene menos velocidad y m谩s presi贸n est谩tica, por lo que el ala genera sustentaci贸n.
Chord Line
La l铆nea de cuerda es una l铆nea recta imaginaria que va desde el borde de ataque del ala hasta su borde de salida. El 谩ngulo entre la l铆nea de cuerda y el eje longitudinal del avi贸n se conoce como 谩ngulo de incidencia.
Viento relativo - Relative Wind
El viento relativo es una relaci贸n entre la direcci贸n del flujo de aire y el ala del avi贸n. En circunstancias normales de vuelo, el viento relativo es la direcci贸n opuesta a la trayectoria de vuelo del avi贸n.
脕ngulo de ataque - Angle of Attack
El 谩ngulo entre la l铆nea de cuerda y el viento relativo es el 谩ngulo de ataque. A medida que aumenta el 谩ngulo de ataque, aumenta la sustentaci贸n del ala. Si el 谩ngulo de ataque es demasiado grande, el flujo de aire puede separarse del ala y la sustentaci贸n se destruir谩. Cuando esto ocurre, se produce una condici贸n conocida como p茅rdida.
Flujo de aire en la capa l铆mite - Boundary Layer Airflow
La capa l铆mite es una capa muy fina de aire que se extiende sobre la superficie del ala y, por tanto, sobre todas las dem谩s superficies del avi贸n. Como el aire tiene viscosidad, esta capa de aire tiende a adherirse al ala. A medida que el ala avanza por el aire, la capa l铆mite fluye al principio suavemente sobre la forma aerodin谩mica del perfil. En este caso, el flujo se denomina capa laminar.
Control de la capa l铆mite - Boundary Layer Control
Una forma de mantener la capa l铆mite de aire bajo control, o de reducir su efecto negativo, es hacer que la superficie del ala sea lo m谩s lisa posible y mantenerla libre de suciedad y residuos. A medida que la fricci贸n entre el aire y la superficie del ala aumenta, la capa l铆mite se hace m谩s gruesa y turbulenta y, finalmente, se produce una p茅rdida del ala.
Con una superficie del ala lisa y limpia, la aparici贸n de la p茅rdida se retrasa y el ala puede funcionar con un 谩ngulo de ataque mayor. Una de las razones por las que la formaci贸n de hielo en un ala puede ser un problema tan grave es por su efecto en la capa l铆mite de aire. En un avi贸n de alta velocidad, incluso unos pocos insectos salpicados en el borde de ataque del ala pueden afectar negativamente al aire de la capa l铆mite.
V贸rtices en la punta del ala - Wingtip Vortices
Los v贸rtices en la punta del ala son causados por el aire debajo del ala, que est谩 a mayor presi贸n, fluyendo sobre la punta del ala y subiendo hacia la parte superior del ala. El resultado final es una espiral o v贸rtice que sigue detr谩s de la punta del ala cuando se produce la sustentaci贸n.
Este v贸rtice tambi茅n se conoce como turbulencia de estela, y es un factor importante para determinar lo cerca que un avi贸n puede seguir a otro en la aproximaci贸n a tierra. La turbulencia de la estela de un avi贸n grande puede hacer que un avi贸n m谩s peque帽o, si lo sigue demasiado de cerca, se descontrole.
Ejes de un avi贸n - Axes of an Aircraft
Un avi贸n en vuelo se controla alrededor de uno o m谩s de los tres ejes de rotaci贸n. Estos ejes de rotaci贸n son el longitudinal, el lateral y el vertical. En el avi贸n, los tres ejes se cruzan en el centro de gravedad. Cuando el avi贸n pivota sobre uno de estos ejes, en esencia est谩 pivotando alrededor del centro de gravedad (CG). El centro de gravedad tambi茅n se denomina centro de rotaci贸n.
Estabilidad del avi贸n - Aircraft Stability
Cuando un avi贸n est谩 en vuelo recto y nivelado a una velocidad constante, todas las fuerzas que act煤an sobre el avi贸n est谩n en equilibrio. Si ese vuelo recto y nivelado se ve interrumpido por una perturbaci贸n en el aire, como una turbulencia en la estela, el avi贸n puede cabecear hacia arriba o hacia abajo, desviarse hacia la izquierda o hacia la derecha, o entrar en balanceo.
Si el avi贸n tiene lo que se caracteriza como estabilidad, una vez que la perturbaci贸n desaparece, el avi贸n volver谩 a un estado de equilibrio.
Estabilidad est谩tica - Static Stability
La respuesta inicial que muestra un avi贸n despu茅s de que se interrumpa su equilibrio se denomina estabilidad est谩tica. Si la estabilidad est谩tica es positiva, el avi贸n tender谩 a volver a su posici贸n original despu茅s de que se elimine la fuerza perturbadora.
Si la estabilidad est谩tica es negativa, el avi贸n continuar谩 alej谩ndose de su posici贸n original despu茅s de la eliminaci贸n de la fuerza perturbadora. Si un avi贸n con estabilidad est谩tica negativa tiene el morro inclinado hacia arriba debido a la turbulencia de la estela, la tendencia ser谩 que el morro siga inclinado hacia arriba incluso despu茅s de que desaparezca la turbulencia.
Si un avi贸n tiende a permanecer en una posici贸n desplazada despu茅s de la eliminaci贸n de la fuerza, pero no contin煤a movi茅ndose hacia un desplazamiento a煤n mayor, su estabilidad est谩tica se describe como neutral.
Estabilidad din谩mica - Dynamic Stability
La estabilidad din谩mica de un avi贸n implica la cantidad de tiempo que tarda en reaccionar a su estabilidad est谩tica despu茅s de haber sido desplazado de una condici贸n de equilibrio.
La estabilidad din谩mica implica las oscilaciones que suelen producirse cuando el avi贸n intenta volver a su posici贸n o actitud original. Aunque un avi贸n pueda tener una estabilidad est谩tica positiva, puede tener una estabilidad din谩mica que sea positiva, neutra o negativa.
Estabilidad longitudinal - Longitudinal Stability
La estabilidad longitudinal de un avi贸n implica la tendencia del morro a cabecear hacia arriba o hacia abajo, girando alrededor del eje lateral, que se mide de punta de ala a punta de ala. Si un avi贸n es estable longitudinalmente, volver谩 a un 谩ngulo de ataque correctamente ajustado despu茅s de que se elimine la fuerza que alter贸 su trayectoria de vuelo.
Estabilidad lateral - Lateral Stability
La estabilidad lateral de un avi贸n tiene lugar alrededor del eje longitudinal, que va desde el morro del avi贸n hasta la cola. Si un ala est谩 m谩s baja que la otra, una buena estabilidad lateral tender谩 a devolver las alas a una actitud de vuelo nivelada.
Una caracter铆stica de dise帽o que tiende a dar a un avi贸n una buena estabilidad lateral se llama diedro. El diedro es un 谩ngulo del ala hacia arriba, con respecto a la horizontal, y suele ser de unos pocos grados.
Estabilidad direccional - Directional Stability
El movimiento del avi贸n alrededor de su eje vertical, y la capacidad del avi贸n de no verse afectado negativamente por una fuerza que cree un movimiento de tipo gui帽ada, se denomina estabilidad direccional. La aleta vertical proporciona al avi贸n esta estabilidad, haciendo que el avi贸n se alinee con el viento relativo.
En vuelo, el avi贸n act煤a como la veleta que usamos alrededor de nuestra casa para mostrar la direcci贸n en la que sopla el viento. La distancia desde el punto de giro de una veleta hasta su cola es mayor que la distancia desde su punto de giro hasta el morro.
As铆, cuando el viento sopla, crea una mayor fuerza de torsi贸n en la cola y la obliga a alinearse con el viento. En un avi贸n ocurre lo mismo. Siendo el CG el punto de pivote, la distancia entre el CG y el estabilizador vertical es mayor que la que hay entre el CG y el morro.
Balanceo holand茅s - Dutch Roll
El diedro del ala intenta hacer rodar el avi贸n en la direcci贸n opuesta a la del deslizamiento, y la aleta vertical intentar谩 gui帽ar el avi贸n en la direcci贸n del deslizamiento. Estos dos eventos se combinan de forma que afectan a la estabilidad lateral y direccional.
Si el diedro del ala tiene el mayor efecto, el avi贸n tendr谩 tendencia a experimentar un alabeo. Un balanceo holand茅s es una peque帽a oscilaci贸n alrededor de los ejes longitudinal y vertical. Aunque esta condici贸n no se considera peligrosa, puede producir una sensaci贸n inc贸moda para los pasajeros. Los aviones comerciales suelen tener amortiguadores de gui帽ada que detectan una condici贸n de balanceo holand茅s y la anulan.
Superficies de control de vuelo - Flight Control Surfaces
El prop贸sito de los controles de vuelo es permitir al piloto maniobrar el avi贸n y controlarlo desde el momento en que comienza el rodaje de despegue hasta que aterriza y se detiene de forma segura. Los controles de vuelo se asocian t铆picamente con el ala y los estabilizadores vertical y horizontal, porque son las partes del avi贸n a las que m谩s a menudo se unen los controles de vuelo.
En vuelo, y hasta cierto punto en tierra, los controles de vuelo proporcionan al avi贸n la capacidad de moverse alrededor de uno o m谩s de los tres ejes. Los controles de vuelo funcionan cambiando la forma o las caracter铆sticas aerodin谩micas de la superficie a la que est谩n unidos.
Controles de vuelo y el eje lateral - Flight Controls and the Lateral Axis
El eje lateral de un avi贸n es una l铆nea que va por debajo del ala, de punta a punta, y que pasa por el centro de gravedad del avi贸n. El movimiento alrededor de este eje se llama cabeceo, y el control alrededor de este eje se llama control longitudinal.
El control de vuelo que se encarga de este trabajo es el elevador unido al estabilizador horizontal, un estabilizador horizontal totalmente m贸vil, o en un avi贸n configurado con cola en V, se llama tim贸n.
Controles de vuelo y el eje longitudinal - Flight Controls and the Longitudinal Axis
El eje longitudinal del avi贸n pasa por el centro del avi贸n, desde el morro hasta la cola, pasando por el centro de gravedad. El movimiento alrededor de este eje se conoce como balanceo, y el control alrededor de este eje se llama control lateral. El movimiento alrededor de este eje es controlado por los alerones, y en los aviones de transporte a reacci贸n, es ayudado por superficies en el ala conocidas como alerones.
Controles de vuelo y el eje vertical - Flight Controls and the Vertical Axis
El eje vertical de un avi贸n va de arriba a abajo por el centro del avi贸n, pasando por el centro de gravedad. El movimiento alrededor de este eje se conoce como gui帽ada, y el control alrededor de este eje se llama control direccional. El movimiento alrededor de este eje se controla con el tim贸n, o en el caso del Beechcraft Bonanza.
Tabs
Trim Tabs
Las aletas de centrado son peque帽as superficies m贸viles que se fijan al borde de fuga de los mandos de vuelo. Estas leng眉etas pueden ser controladas desde la cabina de vuelo, y su prop贸sito es crear una fuerza aerodin谩mica que mantenga el control de vuelo en una posici贸n desviada. Las leng眉etas de Trim pueden ser instaladas en cualquiera de los controles de vuelo primarios.
Anti-servo Tab
Algunos aviones, como el Piper Cherokee Arrow, no tienen un estabilizador horizontal fijo y un elevador m贸vil. El Cherokee utiliza una superficie horizontal m贸vil conocida como estabilizador. Debido a la ubicaci贸n del punto de pivote para esta superficie m贸vil, tiene una tendencia a ser extremadamente sensible a la entrada del piloto.
Para reducir la sensibilidad, se instala una leng眉eta antiservo de longitud completa en el borde de salida del estabilizador. Cuando el borde de fuga del estabilizador se mueve hacia abajo, la leng眉eta antiservo se mueve hacia abajo y crea una fuerza que intenta elevar el borde de fuga. Con esta fuerza actuando contra el movimiento del estabilizador, se reduce la sensibilidad a la entrada del piloto.
Balance Tab
En algunos aviones, la fuerza necesaria para mover los controles de vuelo puede ser excesiva. En estos casos, se puede utilizar un Balance Tab para generar una fuerza que ayude a mover el mando de vuelo. Al igual que las anti-servo tabs, las balance tabs se mueven en la direcci贸n opuesta al borde de salida del control de vuelo, proporcionando una fuerza que ayuda al movimiento del control de vuelo.
Servo Tab
En los aviones grandes, debido a que la fuerza necesaria para mover los controles de vuelo est谩 m谩s all谩 de la capacidad del piloto, se utilizan actuadores hidr谩ulicos para proporcionar la fuerza necesaria. En el caso de un mal funcionamiento o fallo del sistema hidr谩ulico, algunos de estos aviones tienen Servo Tab en el borde de salida de los controles de vuelo primarios.
Cuando la rueda de control se tira hacia atr谩s en un intento de mover el elevador, la Servo Tab se mueve y crea suficiente fuerza aerodin谩mica para mover el elevador. La Servo Tab act煤a como una leng眉eta de equilibrio, pero en lugar de ayudar a la fuerza normal que mueve el elevador, se convierte en la 煤nica fuerza que hace que el elevador se mueva.
Al igual que la leng眉eta de equilibrio, la Servo Tab se mueve en la direcci贸n opuesta al borde de fuga del mando de vuelo. El Boeing 727 tiene Servo Tab que respaldan el sistema hidr谩ulico en caso de fallo. Durante el vuelo normal, las Servo Tab act煤an como leng眉etas de equilibrio.
Dispositivos suplementarios de modificaci贸n de la sustentaci贸n - Supplemental Lift-Modifying Devices
Si el ala de un avi贸n se dise帽ara para producir la m谩xima sustentaci贸n posible a baja velocidad del aire, para acomodar los despegues y aterrizajes, no ser铆a adecuada para el vuelo a mayor velocidad debido a la enorme cantidad de resistencia que producir铆a. Para dar al ala la capacidad de producir la m谩xima sustentaci贸n a baja velocidad sin que la resistencia sea prohibitiva, se utilizan dispositivos retr谩ctiles de alta sustentaci贸n, como flaps y slats.
Flaps
El dispositivo de modificaci贸n de la sustentaci贸n m谩s utilizado, tanto en los aviones peque帽os como en los grandes, es el flaps. Los flaps pueden instalarse en el borde de ataque o en el borde de fuga, y las versiones del borde de ataque s贸lo se utilizan en aviones grandes.
Los flaps modifican la inclinaci贸n del ala y aumentan tanto la sustentaci贸n como la resistencia para cualquier 谩ngulo de ataque. Los cuatro tipos diferentes de flaps que se utilizan se denominan lisos, divididos, ranurados y Fowler.
Slots del borde de ataque - Leading Edge Slots
Las ranuras del borde de ataque son conductos o pasajes en el borde de ataque de un ala que permiten que el aire de alta presi贸n de la parte inferior del ala fluya hacia la parte superior del ala.
Este aire canalizado fluye sobre la parte superior del ala a gran velocidad y ayuda a evitar que el aire de la capa l铆mite se vuelva turbulento y se separe del ala. Las ranuras suelen colocarse en la parte del ala situada por delante de los alerones, de modo que en caso de p茅rdida, la parte interior del ala entra en p茅rdida primero y los alerones siguen siendo eficaces.
Slats del borde de ataque - Leading Edge Slats
Los slats del borde de ataque tienen la misma funci贸n que las ranuras, con la diferencia de que los slats son m贸viles y pueden retraerse cuando no se necesitan. En algunos aviones, las lamas del borde de ataque son autom谩ticas y se despliegan en respuesta a las fuerzas aerodin谩micas que entran en juego durante un 谩ngulo de ataque elevado. En la mayor铆a de los aviones comerciales actuales, los slats del borde de ataque se despliegan cuando se bajan los flaps del borde de salida.
Aerodin谩mica de alta velocidad - High-Speed Aerodynamics
Efectos de la compresibilidad - Compressibility Effects
Cuando el aire fluye a velocidad subs贸nica, se comporta como un fluido incompresible. Como se ha comentado anteriormente en este cap铆tulo, cuando el aire a velocidad subs贸nica fluye a trav茅s de un paso con forma divergente, la velocidad disminuye y la presi贸n est谩tica aumenta, pero la densidad del aire no cambia.
En un pasaje con forma convergente, el aire subs贸nico acelera y su presi贸n est谩tica disminuye. Cuando el aire supers贸nico fluye a trav茅s de un pasaje convergente, su velocidad disminuye y su presi贸n y densidad aumentan.
En el flujo supers贸nico, el aire se comporta como un fluido compresible. Dado que el aire se comporta de forma diferente cuando fluye a velocidad supers贸nica, los aviones que vuelan a velocidad supers贸nica deben tener alas con una forma diferente.
La velocidad del sonido - The Speed of Sound
El sonido, en referencia a los aviones y a su movimiento en el aire, no es m谩s que perturbaciones de presi贸n en el aire. Como se ha comentado anteriormente en este cap铆tulo, es como dejar caer una piedra en el agua y ver las ondas que salen del centro.
Cuando un avi贸n vuela por el aire, cada punto del avi贸n que causa una perturbaci贸n crea energ铆a sonora en forma de ondas de presi贸n. Estas ondas de presi贸n se alejan del avi贸n a la velocidad del sonido, que a una temperatura diurna est谩ndar de 59 °F, es de 761 mph. La velocidad del sonido en el aire cambia con la temperatura, aumentando a medida que 茅sta aumenta.
Vuelo subs贸nico, trans贸nico y supers贸nico - Subsonic, Transonic, and Supersonic Flight
Cuando un avi贸n vuela a velocidad subs贸nica, todo el aire que fluye alrededor del avi贸n lo hace a una velocidad inferior a la del sonido, lo que se conoce como Mach 1.
Tenga en cuenta que el aire se acelera cuando fluye sobre ciertas partes del avi贸n, como la parte superior del ala, por lo que un avi贸n que vuela a 500 mph podr铆a tener el aire sobre la parte superior del ala alcanzar una velocidad de 600 mph. La velocidad a la que puede volar un avi贸n y seguir consider谩ndose en vuelo subs贸nico var铆a seg煤n el dise帽o del ala, pero como n煤mero de Mach, suele estar justo por encima de Mach 0,8.
Cuando un avi贸n vuela a velocidad trans贸nica, parte del avi贸n experimenta un flujo de aire subs贸nico y parte un flujo de aire supers贸nico. Sobre la parte superior del ala, probablemente a mitad de camino, la velocidad del aire alcanzar谩 Mach 1 y se formar谩 una onda de choque. La onda de choque se forma a 90 grados del flujo de aire y se conoce como onda de choque normal.
Durante el vuelo trans贸nico pueden surgir problemas de estabilidad, ya que la onda de choque puede hacer que el flujo de aire se separe del ala. La onda de choque tambi茅n hace que el centro de sustentaci贸n se desplace hacia la popa, haciendo que el morro se incline hacia abajo. La velocidad a la que se forma la onda de choque se conoce como n煤mero de Mach cr铆tico. La velocidad trans贸nica suele estar entre Mach 0,80 y 1,20.
Cuando un avi贸n vuela a velocidad supers贸nica, todo el avi贸n experimenta un flujo de aire supers贸nico. A esta velocidad, la onda de choque que se form贸 en la parte superior del ala durante el vuelo trans贸nico se ha desplazado hasta la popa y se ha adherido al borde de fuga del ala. La velocidad supers贸nica va de Mach 1,20 a 5,0. Si un avi贸n vuela a m谩s de Mach 5, se dice que est谩 en vuelo hipers贸nico.
Ondas de choque - Shock Waves
El sonido procedente de un avi贸n es el resultado de la perturbaci贸n del aire cuando el avi贸n lo atraviesa, y de las ondas de presi贸n resultantes que irradian desde la fuente de la perturbaci贸n. En un avi贸n que se mueve lentamente, las ondas de presi贸n se desplazan por delante del avi贸n, viajando a la velocidad del sonido.
Sin embargo, cuando la velocidad del avi贸n alcanza la velocidad del sonido, las ondas de presi贸n, o energ铆a sonora, no pueden alejarse del avi贸n.
En ese momento, la energ铆a sonora comienza a acumularse, inicialmente en la parte superior del ala, y finalmente se adhiere a los bordes de ataque y de salida del ala. Esta acumulaci贸n de energ铆a sonora se denomina onda de choque. Si las ondas de choque llegan al suelo y se cruzan con una persona, se oir谩n como un estampido s贸nico.
Onda de choque normal - Normal Shock Wave
Cuando un avi贸n est谩 en vuelo trans贸nico, la onda de choque que se forma en la parte superior del ala, y eventualmente en la parte inferior del ala, se llama onda de choque normal. Si el borde de ataque del ala es romo, en lugar de redondeado o afilado, tambi茅n se formar谩 una onda de choque normal delante del ala durante el vuelo supers贸nico.
Las ondas de choque normales se forman perpendicularmente a la corriente de aire. La velocidad del aire detr谩s de una onda de choque normal es subs贸nica, y la presi贸n est谩tica y la densidad del aire son mayores.
Onda de choque oblicua - Oblique Shock Wave
Un avi贸n que est谩 dise帽ado para volar en supers贸nico tendr谩 superficies con bordes muy afilados, para tener la menor cantidad de resistencia. Cuando el avi贸n est谩 en vuelo supers贸nico, el borde de ataque y el borde de salida del ala tendr谩n ondas de choque adheridas a ellos.
Estas ondas de choque se conocen como ondas de choque oblicuas. Detr谩s de una onda de choque oblicua la velocidad del aire es menor, pero todav铆a supers贸nica, y la presi贸n est谩tica y la densidad son mayores.
Onda de expansi贸n - Expansion Wave
Anteriormente en la discusi贸n de la aerodin谩mica de alta velocidad, se dijo que el aire a velocidad supers贸nica act煤a como un fluido compresible. Por esta raz贸n, el aire supers贸nico, cuando se le da la oportunidad, quiere expandirse hacia afuera.
Cuando el aire supers贸nico fluye sobre la parte superior de un ala, y la superficie del ala se aleja de la direcci贸n del flujo, el aire se expandir谩 y seguir谩 la nueva direcci贸n. Se producir谩 una onda de expansi贸n en el punto donde cambia la direcci贸n del flujo. Detr谩s de la onda de expansi贸n aumenta la velocidad y disminuyen la presi贸n est谩tica y la densidad. Una onda de expansi贸n no es una onda de choque.
Perfiles a茅reos de alta velocidad - High-Speed Airfoils
El vuelo trans贸nico es el r茅gimen de vuelo m谩s dif铆cil para un avi贸n, porque una parte del ala experimenta un flujo de aire subs贸nico y otra un flujo de aire supers贸nico.
Para un perfil a茅reo subs贸nico, el centro aerodin谩mico, o el punto de apoyo, se encuentra aproximadamente a un 25 por ciento del borde de ataque del ala. En vuelo supers贸nico, el centro aerodin谩mico se desplaza hacia atr谩s hasta el 50% de la cuerda del ala, lo que provoca algunos cambios significativos en el control y la estabilidad del avi贸n.
Calentamiento aerodin谩mico - Aerodynamic Heating
Uno de los problemas de los aviones y del vuelo a alta velocidad es el calor que se acumula en la superficie del avi贸n debido a la fricci贸n del aire. Cuando el SR-71 Blackbird vuela a Mach 3,5, la temperatura de la piel de su superficie oscila entre 450 °F y m谩s de 1.000 °F. Para soportar esta alta temperatura, el avi贸n se construy贸 con una aleaci贸n de titanio, en lugar de la tradicional aleaci贸n de aluminio.
El transporte supers贸nico Concorde se dise帽贸 originalmente para alcanzar una velocidad de crucero de 2,2 Mach, pero su velocidad de crucero se redujo a Mach 2,0 debido a los problemas estructurales que empezaron a producirse por el calentamiento aerodin谩mico.
Si en el futuro se construyen aviones capaces de realizar vuelos hipers贸nicos, uno de los obst谩culos que habr谩 que superar es la tensi贸n que el calor provoca en la estructura del avi贸n.
Aerodin谩mica de los helic贸pteros - Helicopter Aerodynamics
El helic贸ptero, tal y como lo conocemos hoy en d铆a, entra dentro de la clasificaci贸n conocida como rotorcraft. Los rotorcraft tambi茅n se conocen como aviones de ala rotatoria, porque en lugar de que su ala sea fija como en un avi贸n, el ala gira.
El ala giratoria de un helic贸ptero puede considerarse como un dispositivo de sustentaci贸n, como el ala de un avi贸n, o como un dispositivo de empuje, como la h茅lice de un motor de pist贸n.
Sistemas Anti-Torque
Siempre que se aplique una fuerza para hacer girar un objeto, habr谩 una fuerza igual que act煤e en sentido contrario. Si el sistema del rotor principal del helic贸ptero gira en el sentido de las agujas del reloj cuando se ve desde arriba, el helic贸ptero tratar谩 de girar en sentido contrario.
Se descubri贸 que el torque es lo que trata de hacer girar algo. Por esta raz贸n, un helic贸ptero utiliza lo que se llama un sistema anti-torque para contrarrestar la fuerza que intenta hacerlo girar.
Un m茅todo que se utiliza en un helic贸ptero para contrarrestar la torsi贸n es colocar un conjunto de palas giratorias en el extremo del brazo de cola. Estas palas se denominan rotor de cola o rotor antitorque, y su prop贸sito es crear una fuerza, o empuje, que act煤a en la direcci贸n opuesta a la que el helic贸ptero intenta girar.
La fuerza del rotor de cola, en libras, multiplicada por la distancia del rotor de cola al rotor principal, en pies, crea un torque en libras-pie que contrarresta el torque del rotor principal.
Sistemas de rotor principal - Main Rotor Systems
En el sistema de rotor totalmente articulado, las palas est谩n unidas al centro varias veces. Las palas est谩n articuladas de manera que puedan moverse hacia arriba y hacia abajo y hacia delante y hacia atr谩s, y los cojinetes proporcionan el movimiento alrededor del eje de cambio de paso.
Los sistemas de rotor que utilizan este tipo de disposici贸n suelen tener tres o m谩s palas. La bisagra que permite que las palas se muevan hacia arriba y hacia abajo se llama bisagra de flaps, y el movimiento alrededor de esta bisagra se llama flaps. La bisagra que permite que las palas se muevan hacia delante y hacia atr谩s se denomina bisagra de arrastre o de retraso.
El movimiento alrededor de esta bisagra se denomina arrastre, plomo/retraso o caza. El sistema de rotor semirr铆gido se utiliza con un rotor principal de dos palas. Las palas est谩n unidas de forma r铆gida al centro, y el centro y las palas pueden balancearse como un balanc铆n.
Esta acci贸n de balanceo permite que las palas aleteen, con una de ellas descendiendo mientras la otra se eleva. Las palas pueden cambiar de inclinaci贸n independientemente unas de otras. Este helic贸ptero utiliza un sistema de rotor semirr铆gido, lo que resulta evidente por la forma en que el rotor se inclina hacia delante cuando el helic贸ptero est谩 en vuelo de avance.
Ejes de vuelo de los helic贸pteros - Helicopter Axes of Flight
Los helic贸pteros, como los aviones, tienen un eje vertical, lateral y longitudinal que pasa por el centro de gravedad del helic贸ptero. Los helic贸pteros giran alrededor del eje vertical, cabecean alrededor del eje lateral y giran alrededor del eje longitudinal. La figura 5-90 muestra los tres ejes de un helic贸ptero y c贸mo se relacionan con el movimiento del helic贸ptero.
Los tres ejes se cruzan en el centro de gravedad del helic贸ptero, y el helic贸ptero pivota alrededor de este punto. Observe en la figura que el eje vertical pasa casi por el centro del rotor principal, porque el centro de gravedad del helic贸ptero tiene que estar muy cerca de este punto.
Control alrededor del eje vertical - Control Around the Vertical Axis
En un helic贸ptero de un solo rotor principal, el control en torno al eje vertical lo realiza el rotor anti-torque, o el rotor de cola, o el flujo de aire del ventilador en un helic贸ptero de tipo NOTAR. Como en un avi贸n, la rotaci贸n alrededor de este eje se conoce como gui帽ada.
El piloto controla la gui帽ada empujando los pedales anti-torque situados en el suelo de la cabina, de la misma manera que el piloto de un avi贸n controla la gui帽ada empujando los pedales del tim贸n. Para hacer que el morro del helic贸ptero baje hacia la derecha, el piloto pisa el pedal anti-torque derecho.
Visto desde arriba, si el helic贸ptero intenta girar en sentido contrario a las agujas del reloj debido al torque del rotor principal, el piloto tambi茅n presionar谩 el pedal anti-torque derecho para contrarrestar el torque del rotor principal. Utilizando los pedales antitorque, el piloto puede hacer girar intencionadamente el helic贸ptero en cualquier direcci贸n alrededor del eje vertical.
Control alrededor de los ejes longitudinal y lateral - Control Around the Longitudinal and Lateral Axes
El movimiento alrededor de los ejes longitudinal y lateral es manejado por el rotor principal del helic贸ptero. En la cabina, hay dos palancas que controlan el rotor principal, conocidas como controles de paso colectivo y c铆clico. La palanca de paso colectivo est谩 en el lado del asiento del piloto, y la palanca de paso c铆clico est谩 en la parte delantera del asiento, en el centro.
Helic贸pteros en vuelo - Helicopters in Flight
Planeando - Hovering
Para un helic贸ptero, el vuelo estacionario significa que est谩 en vuelo a una altitud constante, sin movimiento hacia delante, hacia atr谩s o hacia los lados. Para poder planear, un helic贸ptero debe producir suficiente sustentaci贸n en las palas del rotor principal para igualar el peso de la aeronave.
El motor del helic贸ptero debe producir suficiente potencia para accionar el rotor principal, y tambi茅n para accionar cualquier tipo de sistema anti-torque que se est茅 utilizando. La capacidad de un helic贸ptero para flotar se ve afectada por muchos factores, entre ellos si est谩 o no en efecto suelo, la altitud de densidad del aire, la potencia disponible del motor y el grado de carga.
Vuelo hacia delante - Forward Flight
En los primeros d铆as del desarrollo de los helic贸pteros, se domin贸 la capacidad de planear antes de lograr el vuelo hacia adelante. Los primeros intentos de vuelo hacia delante daban lugar a que el helic贸ptero se volcara cuando intentaba salir del vuelo estacionario y moverse en cualquier direcci贸n. La causa del vuelco es lo que ahora denominamos disimetr铆a de la sustentaci贸n.
Aleteo de las palas - Blade Flapping
Para resolver el problema de la disimetr铆a de la sustentaci贸n, los dise帽adores de helic贸pteros idearon un dise帽o con bisagras que permite a la pala del rotor aletear hacia arriba cuando experimenta un aumento de la sustentaci贸n, y aletear hacia abajo cuando experimenta una disminuci贸n de la misma.
Cuando una pala del rotor avanza hacia la parte delantera del helic贸ptero y experimenta un aumento de la velocidad del flujo de aire, el aumento de la sustentaci贸n hace que la pala flamee hacia arriba. Este movimiento ascendente de la pala cambia la direcci贸n del viento relativo en relaci贸n con la l铆nea de cuerda de la pala, y hace que el 谩ngulo de ataque disminuya.
La disminuci贸n del 谩ngulo de ataque disminuye la sustentaci贸n de la pala. La pala que retrocede experimenta una reducci贸n de la velocidad del flujo de aire y de la sustentaci贸n, y aletea hacia abajo.
Al aletear hacia abajo, la pala en retirada termina con un 谩ngulo de ataque mayor y un aumento de la sustentaci贸n. El resultado final es que la sustentaci贸n de las palas se iguala, y la tendencia del helic贸ptero a rodar nunca se materializa.
Problemas de las palas en avance y en retroceso - Advancing Blade and Retreating Blade Problems
La pala que avanza hacia el viento relativo ve el flujo de aire a una velocidad cada vez mayor a medida que el helic贸ptero vuela hacia delante a velocidades cada vez mayores. Finalmente, la velocidad del aire sobre la pala del rotor alcanzar谩 una velocidad s贸nica, muy parecida al n煤mero de Mach cr铆tico para el ala de un avi贸n.
Cuando esto ocurra, se formar谩 una onda de choque y el aire se separar谩 de la pala del rotor, dando lugar a una p茅rdida de alta velocidad.
Autorrotaci贸n - Autorotation
El motor de un helic贸ptero acciona el sistema del rotor principal mediante un embrague y una transmisi贸n. El embrague permite que el motor est茅 funcionando y que el sistema del rotor no gire, mientras el helic贸ptero est谩 en tierra, y tambi茅n permite que el sistema del rotor se desconecte del motor mientras est谩 en vuelo, si el motor falla.
La desconexi贸n del sistema del rotor del motor en caso de que 茅ste falle es necesaria para que el helic贸ptero sea capaz de realizar una condici贸n de vuelo llamada autorrotaci贸n.
Aerodin谩mica de los aeronaves de ala flexible con control de peso - Weight-Shift Control, Flexible Wing Aircraft Aerodynamics
Una aeronave de control de peso, de ala flexible, consiste en un ala cubierta de tela, a menudo denominada vela, unida a una estructura tubular que tiene ruedas, asientos y un motor y una h茅lice. La estructura del ala tambi茅n es tubular, y el revestimiento de tela crea la forma del ala.
La forma del ala var铆a entre los diferentes modelos de aviones de control de peso que se fabrican, pero un ala en forma de delta es un dise帽o muy popular. Dentro de la comunidad de aeronaves de control de peso, estas aeronaves suelen denominarse trikes.
Aerodin谩mica del paraca铆das motorizado - Powered Parachute Aerodynamics
Un paraca铆das motorizado tiene un carro muy similar al de los aviones de control de peso. Sin embargo, su ala no tiene estructura de soporte ni rigidez y s贸lo adquiere la forma de una hoja de aire cuando se infla por la r谩faga de aire de la h茅lice y la velocidad de avance de la aeronave. En la figura, un paraca铆das motorizado se aproxima a tierra con el ala totalmente inflada y elev谩ndose por encima del avi贸n.
Cada secci贸n coloreada del ala inflada est谩 formada por celdas que est谩n abiertas en la parte delantera para permitir la entrada de aire y cerradas en la parte trasera para mantener el aire atrapado en su interior. Entre todas las celdas hay agujeros que permiten que el aire fluya de una celda a la siguiente, con el fin de igualar la presi贸n dentro del ala inflada.
El ala est谩 unida al tren de aterrizaje de la aeronave por un gran n煤mero de l铆neas de nylon o kevlar que van desde las puntas del ala hasta el centro. El peso de la aeronave que act煤a sobre estas l铆neas y sus longitudes individuales hacen que el ala inflada tome su forma. Los cabos se unen al cuerpo de la aeronave en un lugar muy cercano al centro de gravedad, y este punto de uni贸n es ajustable para tener en cuenta los cambios de equilibrio con ocupantes de distinto peso.
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