Teoría del vuelo

El vuelo es un fenómeno que ha sido durante mucho tiempo parte del mundo natural. Las aves vuelan no solo batiendo sus alas, sino también deslizándose con sus alas extendidas por largas distancias. El humo, que está compuesto de partículas diminutas, puede elevarse miles de pies en el aire. Ambos tipos de vuelo son posibles debido a los principios de la ciencia física. Asimismo, las aeronaves hechas por el hombre se basan en estos principios para vencer la fuerza de la gravedad y lograr el vuelo.

Las naves más ligeras que el aire, como los globos aerostáticos, funcionan según el principio de flotabilidad. Flotan en el aire como las balsas flotan en el agua. La densidad de una balsa es menor que la del agua, por lo que flota. Aunque la densidad del agua es constante, la densidad del aire disminuye con la altitud. La densidad del aire caliente dentro de un globo es menor que la del aire al nivel del mar, por lo que el globo se eleva. Continuará subiendo hasta que el aire fuera del globo tenga la misma densidad que el aire dentro. Las partículas de humo se elevan sobre una columna de aire caliente generada por un incendio. Cuando el aire se enfría, las partículas vuelven a caer a la Tierra.

El vuelo más pesado que el aire es posible gracias a un cuidadoso equilibrio de cuatro fuerzas físicas: sustentación, arrastre, peso y empuje. Para el vuelo, la sustentación de una aeronave debe equilibrar su peso y su empuje debe exceder su resistencia. Un avión usa sus alas para levantarse y sus motores para impulsarse. La resistencia se reduce por la forma suave de un avión y su peso está controlado por los materiales con los que está construido.

Elevar

Para que un avión se eleve en el aire, se debe crear una fuerza que iguale o supere la fuerza de la gravedad. Esta fuerza se llama sustentación. En las naves más pesadas que el aire, la sustentación es creada por el flujo de aire sobre un perfil aerodinámico. La forma de un perfil aerodinámico hace que el aire fluya más rápido en la parte superior que en la parte inferior. El aire que fluye rápidamente disminuye la presión del aire circundante. Debido a que la presión del aire es mayor debajo del perfil aerodinámico que arriba, se crea una fuerza de sustentación resultante. Para comprender mejor cómo un perfil aerodinámico crea sustentación, es necesario utilizar dos ecuaciones importantes de la ciencia física.

Las variaciones de presión del aire que fluye se representan mejor con la ecuación de Bernoulli. Fue derivado por Daniel Bernoulli, un matemático suizo, para explicar la variación en la presión ejercida por las corrientes de agua que fluyen. La ecuación de Bernoulli se escribe como:

donde:

P = presión (fuerza ejercida dividida por el área ejercida)

rho = densidad del fluido

V = velocidad del objeto o fluido en movimiento

Para comprender la ecuación de Bernoulli, primero se debe comprender otro principio importante de la ciencia física, la ecuación de continuidad. Simplemente establece que en cualquier flujo dado, la densidad (rho) multiplicada por el área de la sección transversal (A) del flujo, multiplicada por la velocidad (V) es constante. La ecuación de continuidad se escribe como:

donde:

P = presión

V = velocidad

A = área de la sección transversal del flujo

Usando la ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad, se puede mostrar cómo el aire que fluye sobre una superficie aerodinámica crea sustentación. Imagine el aire que fluye sobre una superficie aerodinámica estacionaria, como el ala de un avión. Muy por delante del perfil aerodinámico, el aire viaja a una velocidad uniforme. Sin embargo, para fluir más allá del perfil aerodinámico, debe "dividirse" en dos, parte del flujo viaja por la parte superior y otra parte viaja por la parte inferior.

La forma de un perfil aerodinámico típico es asimétrica: su área de superficie es mayor en la parte superior que en la inferior. A medida que el aire fluye sobre el perfil aerodinámico, es desplazado más por la superficie superior que por la inferior. De acuerdo con la ley de continuidad, este desplazamiento, o pérdida de área de flujo, debe conducir a un aumento de la velocidad. Considere un perfil aerodinámico en una tubería con agua que fluye. El agua fluirá más rápido en una sección estrecha de la tubería. El área grande de la superficie superior del perfil aerodinámico estrecha la tubería más que la superficie inferior. Por lo tanto, el agua fluirá más rápido por arriba que por abajo. La velocidad del flujo aumenta un poco por la superficie aerodinámica inferior, pero considerablemente menos que el flujo en la parte superior.

La ecuación de Bernoulli establece que un aumento en la velocidad conduce a una disminución en la presión. Por lo tanto, cuanto mayor sea la velocidad del flujo, menor será la presión. El aire que fluye sobre un perfil aerodinámico disminuirá en presión. La pérdida de presión sobre la superficie superior es mayor que la de la superficie inferior. El resultado es una fuerza de presión neta en dirección ascendente (positiva). Esta fuerza de presión es sustentación.

No existe una forma predeterminada para el perfil aerodinámico de un ala, se diseña en función de la función de la aeronave para la que se utilizará. Para ayudar en el proceso de diseño, los ingenieros utilizan el coeficiente de sustentación para medir la cantidad de sustentación obtenida de una forma de perfil aerodinámico en particular. La sustentación es proporcional a la presión dinámica y al área del ala. La ecuación de elevación se escribe como:

donde S es el área del ala y la cantidad entre paréntesis es la presión dinámica. Al diseñar el ala de un avión, suele ser ventajoso obtener el coeficiente de sustentación lo más alto posible.

Arrastrar

Todo cuerpo físico que sea propulsado por el aire experimentará resistencia al flujo de aire. Esta resistencia se llama arrastre. El arrastre es el resultado de una serie de fenómenos físicos. La resistencia a la presión es la que sientes cuando corres en un día ventoso. La presión del viento frente a ti es mayor que la presión de la estela detrás de ti. La fricción de la piel, o arrastre viscoso, es lo que pueden experimentar los nadadores. El flujo de agua a lo largo del cuerpo de un nadador crea una fuerza de fricción que frena al nadador. Una superficie áspera inducirá más arrastre por fricción que una superficie lisa. Para reducir la resistencia viscosa, los nadadores intentan que las superficies de contacto sean lo más suaves posible usando gorras de natación y afeitándose las piernas. Asimismo, el ala de un avión está diseñada para ser suave para reducir la resistencia.

Al igual que la sustentación, la resistencia es proporcional a la presión dinámica y al área sobre la que actúa. El coeficiente de arrastre, análogo al coeficiente de sustentación, es una medida de la cantidad de presión dinámica que se convierte en arrastre. Sin embargo, a diferencia del coeficiente de sustentación, los ingenieros generalmente diseñan el coeficiente de arrastre para que sea lo más bajo posible. Los coeficientes de resistencia aerodinámica bajos son deseables porque la eficiencia de una aeronave aumenta a medida que disminuye la resistencia aerodinámica.

Peso

El peso de una aeronave es un factor limitante en el diseño de aeronaves. Un avión pesado, o un avión destinado a transportar cargas útiles pesadas, requiere más sustentación que un avión ligero. También puede requerir más empuje para acelerar en el suelo. En aviones pequeños, la ubicación del peso también es importante. Un avión pequeño debe estar adecuadamente "equilibrado" para el vuelo, ya que demasiado peso en la parte trasera o delantera puede hacer que el avión sea inestable. El peso se puede calcular usando una forma de la segunda ley de Newton:

W = mg

donde W es el peso, m es la masa y g es la aceleración de la gravedad en la Tierra.

Empuje

La propulsión implica una serie de principios de la ciencia física. La termodinámica, la aerodinámica, las matemáticas de fluidos y la física juegan un papel importante. El empuje mismo es una fuerza que la segunda ley de Newton puede describir mejor. La forma básica de esta ley es:

F = ma

que establece que la fuerza (F) es igual a la masa (m) por la aceleración (a). La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad en el tiempo. El empuje (T) se produce por tanto acelerando una masa de aire.

Discusión en clase

¿Proporcionaría más sustentación un fluido con mayor densidad que el aire?

¿Cómo determinan los diseñadores de aeronaves la forma correcta de un ala?

Explique cómo una hélice proporciona empuje de la misma manera que un ala genera sustentación.

Previamente se suministró una ecuación para la sustentación. ¿Cuáles serían las dos fuerzas involucradas en una hélice?

¿Funcionaría mejor una hélice en un fluido con mayor densidad que el aire?

¿Crees que diferentes aviones necesitan superficies aerodinámicas de formas diferentes?

Durante la fase de diseño, ¿cómo se prueba la forma teórica de un ala?

¿En qué se diferencian las alas de un avión pequeño, como un Cessna, de las de uno grande, como un avión de pasajeros?

¿En qué se diferencian los sistemas de propulsión de un biplano de los de un avión de combate?

¿Qué tipo de propulsión utiliza un jet Lear? ¿El Concorde?

Haz una lista de las diferencias entre aviones de ala fija y helicópteros. ¿Cómo genera cada uno elevación? ¿Qué tan rápido puede ir cada uno? ¿Cuales son las ventajas y desventajas de cada uno?

Algunos aviones tienen más de un motor para impulsar la nave. ¿Son los motores múltiples necesarios o una precaución de seguridad?

Actividades de clase/Investigación

Construya aviones de papel y demuestre los efectos de sustentación, arrastre, empuje y peso.

Haga un viaje a su aeropuerto local o a una exhibición aérea. Visite la torre de control y los hangares de aviones.

Determine el área del ala de un avión grande. Describe qué tipo de avión es.

¿Qué tipo de sistema de propulsión utiliza el transbordador espacial, a diferencia de un avión?

¿Quiénes son los principales fabricantes de motores para aviones?

Problemas

Derive la ecuación básica para la elevación (ecuación 3) a partir de la ecuación de Bernoulli (ecuación 1). Tenga en cuenta cualquier suposición que haga.

¿Cuál es la densidad del aire? ¿Difiere de altitudes altas a altitudes bajas?

Dibuje un diagrama de cuerpo libre de un avión.