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Principios de Vuelo


Para comprender por qué vuelan los aviones debemos conocer algunos conceptos básicos aerodinámicos.

AERODINÁMICA: Es la ciencia que se ocupa del movimiento del aire y de las acciones que el mismo ejerce sobre los cuerpos que se mueven inmersos en él.

  • En el año 1738 el físico suizo Daniel Bernoulli descubrió un principio muy simple que dice lo siguiente “Si la velocidad de un fluido aumenta, la presión disminuye”.

  • Si a una partícula de aire se le obliga a pasar a través de un estrechamiento en una canalización, su velocidad aumenta y por consiguiente su presión disminuye. A esto se le llama efecto Venturi.

Se puede ver muy claramente este principio en un tubo con un estrechamiento y un fluido, como el agua, pasando a través de él. Al estrechamiento se le llama Venturi. Observando el experimento podríamos determinar fácilmente por lógica que el fluido ha de pasar más deprisa por la parte estrecha, y si hiciéramos dos agujeros en el tubo, uno en la parte gruesa y otro en la estrecha, podríamos ver en qué parte del tubo hay más presión midiendo la longitud del chorrito del agua.

En el tubo es más fácil de comprender este principio, pero no es necesario para que se cumpla el principio. La forma de las alas de los aviones obliga al aire a recorrer más distancia por la parte superior (extradós), obligándole a ir más deprisa, y por lo tanto baja la presión. Al mismo tiempo, en la parte baja del ala, no se produce una aceleración del aire, por lo tanto no se modifica la presión. Hemos conseguido una diferencia de presiones baja en el extradós y alta en intradós lo que produce una fuerza hacia arriba sobre el ala, creando sustentación.

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Hay más factores que influyen en la sustentación generada por un ala como son: velocidad relativa del aire, densidad del aire, superficie alar, coeficiente aerodinámico. Pero no vamos a entrar en esto, en este correo.

Esto que os he explicado hasta ahora es la teoría popular de la sustentación. Pero hay otra.

Para empezar a entender lo que es la sustentación debemos revisar la primera y tercera Ley de Newton. La primera Ley de Newton dice: “Un cuerpo en reposo tratará de mantenerse en reposo, un cuerpo en movimiento se mantendrá sin cambiar su condición hasta que se le aplique una fuerza externa sobre él”. Esto significa que si uno ve una deformación en el flujo de la masa de aire, o si una masa de aire originalmente en reposo es puesta en movimiento, quiere decir que hay una fuerza actuando sobre ella. La tercera Ley de Newton dice que a toda  acción existe una reacción igual y opuesta. Para lograr generar sustentación, un ala debe hacer algo a la masa de aire, es la acción mientras que la sustentación es la reacción.

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Como podéis ver el flujo de aire pasa por la parte superior del ala y es desviado hacia abajo. El desvío del aire es la acción. La reacción es la sustentación producida por el ala. El aire que sube en la parte delantera del ala lo llamaremos “upwash” y el que desciende por la parte posterior del ala lo llamaremos  “downwash”.

La sustentación de un ala es proporcional a la cantidad de aire desviado hacia abajo por la velocidad de descenso del aire.

Para conseguir más sustentación el ala debe mandar más cantidad de aire o aumentar su velocidad hacia abajo.

Mientras mayor es el ángulo de ataque mayor será la velocidad vertical de la masa de aire, manteniendo el ángulo de ataque, pero aumentando la velocidad del ala también se logrará un aumento de la sustentación.

La pregunta natural es “como el ala desvía aire hacia abajo”.

Cuando un fluido en movimiento, como el aire y el agua, toma contacto con una superficie curva, estos tratan de seguir esa superficie. Esta tendencia es conocida como efecto Coanda.

¿Por qué un fluido sigue una superficie curva? La respuesta es viscosidad, la resistencia para fluir que también les da una capacidad “pegajosa”. La viscosidad en el aire es muy pequeña pero suficiente como para que las moléculas de aire deseen adherirse a la superficie. La velocidad relativa entre la superficie y las moléculas de aire más cercanas es exactamente cero. Justo sobre la superficie, el fluido tiene una pequeña velocidad. Mientras más nos alejamos de la superficie, va aumentando la velocidad del fluido, hasta que se llega a la velocidad del viento relativo. (Esto ocurre en cerca de 2 cm.) Como el fluido cercano a la superficie, tiene un cambio en la velocidad, el fluido es desviado hacia la superficie. Salvo que el desvío sea muy pronunciado, el fluido seguirá la superficie. Este volumen de aire alrededor de las alas, es llamada “capa límite”.

Todo esto nos lleva a la conclusión de que con el ángulo de ataque y la velocidad del ala sobre el viento relativo conseguimos la sustentación que necesitamos para que nuestro avión vuele.

Para comprender cómo influye todo esto en el vuelo de un avión, vamos a conocer las partes del Perfil alar.

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Extradós: Curvatura superior que va desde el borde de ataque hasta el borde de salida

Intradós: Curvatura inferior que va desde el borde de ataque hasta el borde salida

Borde de ataque: Es la parte frontal o delantera de forma redondeada

Borde de salida: Es la parte posterior o trasera afilada y estrecha, también llamado borde de fuga.

Cuerda: Es la línea recta que une el borde de ataque con el borde de salida

Curvatura media: Es la línea equidistante entre el extradós y el intradós.

Espesor: Es la máxima distancia entre el extradós y el intradós.

Otro concepto importante es VIENTO RELATIVO.

Viento relativo: Corriente o flujo de aire moviéndose hacia el perfil.

Ángulo de ataque. Es el ángulo formado por la cuerda aerodinámica y la dirección del viento relativo.

Este ángulo puede ser: positivo, neutro o negativo.

FUERZA AERODINÁMICA:
  • Es la fuerza total generada por el movimiento de un cuerpo inmerso en el aire

  • Es la resultante de la sustentación y resistencia inducida en un perfil aerodinámico


SUSTENTACIÓN:

  • Es la fuerza hacia arriba perpendicular al viento relativo y desarrollado para soportar el peso del avión.

El piloto tiene control sobre la sustentación cambiando el ángulo de ataque. A mayor ángulo mayor sustentación. Hasta un límite en el que el aire ya deja de pasar por la parte superior del ala desprendiéndose y perdiendo toda sustentación. A esto se le llama pérdida.

La definición de pérdida sería algo así:

  • Reducción drástica de la sustentación del ala debido a un ángulo de ataque excesivo, desprendiéndose el flujo de aire de la superficie superior del ala (se desprende la capa límite).

La pérdida de sustentación debida al ángulo de ataque excesivo, se presenta siempre que el ala sea colocada en esta posición crítica, independientemente de cuál sea la velocidad.

Cómo recuperar una pérdida:

  1. Disminuir el ángulo de ataque picando el avión hasta obtener una velocidad segura.

  2. Aplicar potencia si no estuviera puesta, ganar velocidad.

  3. Recuperarla suavemente por la dirección que indique el morro.

  4. Una vez recuperado el control, llevar el morro a posición de vuelo nivelado. Esta maniobra debe hacerse suavemente para evitar factores de carga excesivos y pérdidas secundarias.

El único peligro de la pérdida es la falta de altura, ya que no tendríamos suficiente espacio para recuperarla.

Un aterrizaje es una situación de pérdida controlada, haciéndola coincidir con el punto de contacto de las ruedas con el suelo

RESISTENCIA INDUCIDA:

  • Es la resistencia originada en un ala debida a la generación de la sustentación

A mayor sustentación, mayor es la resistencia

A mayor velocidad, menor es la resistencia

CENTRO DE PRESIONES:

  • Es el punto donde se aplica la resultante de las fuerzas que actúan en un perfil.

CENTRO DE FUERZAS EN VUELO:

  • Las  cuatro principales fuerzas de un avión en vuelo son Sustentación (hacia arriba), Peso (hacia abajo), Empuje (hacia adelante) y Resistencia (hacia atrás).

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EJES DE GIRO:

Los ejes de giro de un avión son tres  longitudinal,  transversal o lateral y Vertical.

Eje longitudinal:

Es la línea imaginaria que va desde el morro del avión a la cola, pasando a través del centro de gravedad. El movimiento alrededor de este eje se denomina “alabeo o balanceo” y está controlado por los alerones.

Eje lateral:

Es la línea imaginaria que pasa de extremo a extremo del ala, pasando por el centro de gravedad. El movimiento a través de este eje se denomina “cabeceo”. Este movimiento se controla con el timón de profundidad.

Cuando el  cabeceo es hacia arriba se denomina “encabritar” y hacia abajo “picar”.

Eje vertical

Es la línea imaginaria que pasa verticalmente por el centro de gravedad, siendo perpendicular al plano descrito por los ejes longitudinal y lateral. El movimiento alrededor  de este eje se denomina “guiñada”. El control de este movimiento  lo efectúa el timón de dirección.

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