Aerodinamica

Desarrollo.

Generación de sustentación

La sustentación que mantiene al avión en el aire sólo se puede crear en presencia de un fluido, es decir, de la masa de aire que existe dentro de la atmósfera terrestre. Ni la sustentación ni la resistencia se producen en el vacío. Por esa razón las naves espaciales no necesitan alas para moverse en el espacio exterior donde no hay aire, con excepción de los transbordadores que sí la necesitan para maniobrar a partir del momento que reingresan en la atmósfera terrestre y poder después aterrizar.

Teorías de Bernoulli y de Newton

Existen dos teorías acerca de la creación de la sustentación: la de Bernoulli y la de Newton. Aunque ninguna de las dos se consideran perfectas, ayudan a comprender un fenómeno que para explicarlo de otra forma requeriría de una demostración matemática compleja.

teoría de Bernoulli

La teoría del científico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782), constituye una ayuda fundamental para comprender la mecánica del movimiento de los fluidos. Para explicar la creación de la fuerza de levantamiento o sustentación, Bernoulli relaciona el aumento de la velocidad del flujo del fluido con la disminución de presión y viceversa.

Según se desprende de ese planteamiento, cuando las partículas pertenecientes a la masa de un flujo de aire chocan contra el borde de ataque de un plano aerodinámico en movimiento, cuya superficie superior es curva y la inferior plana (como es el caso del ala de un avión), estas se separan. A partir del momento en que la masa de aire choca contra el borde de ataque de la superficie aerodinámica, unas partículas se mueven por encima del plano aerodinámico, mientras las otras lo hacen por debajo hasta, supuestamente, reencontrarse en el borde opuesto o de salida.

Teóricamente para que las partículas de aire que se mueven por la parte curva superior se reencuentren con las que se mueven en línea recta por debajo, deberán recorrer un camino más largo debido a la curvatura, por lo que tendrán que desarrollar una velocidad mayor para lograr reencontrarse. Esa diferencia de velocidad provoca que por encima del plano aerodinámico se origine un área de baja presión, mientras que por debajo aparecerá, de forma simultánea, un área de alta presión. Como resultado, estas diferencias de presiones por encima y por debajo de las superficies del plano aerodinámico provocan que la baja presión lo succione hacia arriba, creando una fuerza de levantamiento o sustentación. En el caso del avión, esa fuerza actuando principalmente en las alas, hace que una vez vencida la oposición que ejerce la fuerza de gravedad sobre éste, permita mantenerlo en el aire.

Flujo de aire alrededor de un cuerpo

En cada currículo general de la mecánica técnica de fluidos, el campo “Flujo alrededor de cuerpos” siempre juega un papel muy importante. La comprensión de flujos alrededor de cualquier clase de cuerpo es de gran importancia en la aerodinámica y dinámica de fluidos general. Entretanto, las simulaciones de flujo (CFD – Computational Fluid Dynamics) permiten calcular la gran variedad de configuraciones de flujo alrededor de cualquier clase de cuerpo, así como las resistencias aerodinámicas correspondientes mediante la resolución numérica de ecuaciones diferenciales complejas. No obstante, el estudio experimental en el laboratorio con un modelo sigue siendo imprescindible. GUNT le ofrece una gran variedad de equipos para demostraciones y ensayos para que pueda ilustrar estos temas en ensayos de laboratorio de una manera muy plástica. En nuestros equipos de demostración y ensayo para este campo partimos de un flujo externo estacionario incompresible.

Fuerzas y desarrollo de la presión en alas

La asimilación de los conocimientos fundamentales sobre alas se efectúa de una manera muy ilustrativa por medio de un ensayo en un túnel de viento. Además de la medición de las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámica, se ofrece un ensayo didácticamente muy impresionante para medir el desarrollo de la presión alrededor de un perfil de ala. El ángulo de ataque del perfil de ala y la velocidad media de flujo se pueden modificar en este ensayo.

Empuje, peso, resultante de aerodinámica

Peso.

El peso es la fuerza de atracción gravitatoria sobre un cuerpo, siendo su dirección perpendicular a la superficie de la tierra, su sentido hacia abajo, y su intensidad proporcional a la masa de dicho cuerpo. Esta fuerza es la que atrae al avión hacia la tierra y ha de ser contrarrestada por la fuerza de sustentación para mantener al avión en el aire.

Empuje o tracción.

Para vencer la inercia del avión parado, acelerarlo en la carrera de despegue o en vuelo, mantener una tasa de ascenso adecuada, vencer la resistencia al avance, etc... Se necesita una fuerza: el empuje o tracción.

Esta fuerza se obtiene acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la del aeroplano. La reacción, de igual intensidad pero de sentido opuesto (3ª ley del movimiento de Newton), mueve el avión hacia adelante.

Relación empuje a peso

La relación empuje a peso (donde peso se refiere al peso en la superficie de la tierra) es un parámetro adimensional característico de los motores de cohete, los motores a reacción, y los vehículos propulsados por este tipo de motores (típicamente vehículos espaciales y aviones de reacción). Se usa como figura de mérito para comparaciones cuantitativas de diseño de vehículos y motores.

Evidentemente el valor es mayor para el motor que para la totalidad del vehículo de lanzamiento; el último tiene que ser mayor que uno en el lanzamiento desde la superficie de la tierra (desde la Luna puede ser menor).

Existen muchos factores que afectan a la relación empuje a peso y para una comparación válida, el empuje debería ser medido bajo condiciones controladas. Entre los factores que afectan al empuje está, la temperatura, presión, densidad

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