6.2.1 PRINCIPIOS AERODINAMICOS

TEOREMA DE BERNOULLI Y EFECTO VENTURI

Nos describe el comportamiento de un fluido en condiciones ideales (sin rozamiento, ni viscosidad) que recorre un circuito cerrado, y nos dice, que la energía de dicho fluido será igual a lo largo de dicho conducto.

El teorema de Bernoulli nos dice que:

Presión estática + Presión dinámica = Presión Total = Cte.

Donde Pt es presión total Pd es presión dinámica, Ps es presión estática, Cte es una constante, V la velocidad y δ es la densidad.

El efecto Venturi es la aplicación práctica del teorema de Bernoulli. Y gracias a él, se verifica que, si hacemos circular una corriente de aire a través de un estrechamiento, la corriente de aire aumenta su velocidad V, disminuyendo su Presión estática Ps.

Esto es cierto a régimen subsónico, es decir, por debajo de la velocidad del sonido, para velocidades de corriente de aire supersónicas, las variables se invierten.

Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en las alas de los aviones, recientemente se ha descubierto que realmente este efecto no puede explicar la sustentación aérea, pues un perfil alar no actúa como un tubo de Venturi acelerando las partículas de aire: las partículas son aceleradas debido a la conservación de la energía (se explica mediante el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región convexa del ala de un avión), la conservación del momento (se utiliza la tercera ley de Newton para su explicación) y de la masa (se utilizan las ecuaciones de Euler).

6.2.2. ORIGEN DE LAS FUERZAS AERODINAMICAS

DISTRIBUCION DE PRESIONES SOBRE UN PERFIL

Supongamos un fluido ideal (no compresible, ni viscoso) en movimiento con una velocidad V. Si en el seno de la corriente o fluido colocamos un cilindro, la corriente se dividirá alrededor del cilindro.

Debido a este obstáculo, la corriente, en el punto “1”, la corriente tendrá una velocidad V1 mayor que V, mientras que en el punto “0” la velocidad será nula (punto de remanso). Aplicando el teorema de Bernoulli, primero entre un punto de la corriente en el que todavía no ha sido perturbada por la presencia del obstáculo, y el punto de remanso de la izquierda “0” (sea la presión del punto de remanso Pt, llamada presión de impacto o presión total).

Del teorema obtenemos que la presión en el punto de remanso es superior a la atmosférica y la presión del punto “1” es inferior a la atmosférica ya que V1 es mayor que V. Si adoptamos el criterio de llamar positivas a las presiones superiores a la atmosférica y negativas a las inferiores, podremos afirmar, que en los puntos en que la velocidad es “0” o inferior a la de la corriente libre V, la presión es positiva y en los puntos en que la velocidad es superior a la de la corriente libre V la presión es negativa.

Considerando que tenemos dos puntos de remanso, tendríamos la siguiente distribución de presiones:

TERMINOLOGIA DE UN PERFIL

Un perfil es la forma del área transversal de un elemento, que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a su alrededor una distribución de presiones.

Un ejemplo claro de perfil, son las alas, pero también lo son las hélices, los alabes de los motores a reacción…

• Extradós. –Parte superior del perfil.
• Intradós. –Parte inferior del perfil.
• Borde de ataque BA. –Punto más adelantado del perfil.
• Borde de salida BS.-Punto más atrasado del perfil.
• –Línea recta que une el BA con el BS.
• Línea de curvatura media. –Es la línea equidistante entre el extradós y el intradós.
• –Distancia a la línea de curvatura media.
• –Es la altura del perfil medida perpendicularmente a la cuerda. Se expresa generalmente en % de dicha cuerda.
• Angulo de ataque AOA (α). –Angulo formado por el viento relativo de la corriente libre del aire con la cuerda del perfil.

 

6.2.3. PROPIEDADES DE LOS PERFILES AERODINAMICOS

Cuando un perfil se mueve a través del aire y este tiene curvatura, se crea una diferencia de presiones entre sus superficies (extradós e intradós). Además, si el perfil forma un determinado ángulo con la corriente de aire /ángulo de ataque), la distribución de presiones y, por lo tanto, la velocidad sobre las superficies del perfil cambiara.

6.2.4. FUERZAS RESULTANTES SOBRE UN PERFIL

CENTRO DE PRESIONES

De forma análoga a la del cilindro, un perfil es capaz de producir sustentación con una eficiencia mayor, en el caso del cilindro necesitábamos la circulación del aire, que conseguimos mediante la rotación del cilindro y una velocidad de la corriente libre de aire En un perfil la circulación se establece por su forma.

En el ejemplo anterior, se muestra la distribución de presiones en un perfil, con una determinada curvatura.

El resultado de esta distribución de presiones es una fuerza dirigida hacia arriba. Esta fuerza resultante se considera que actúa en un punto de la cuerda llamado centro de presión (C.P).

Esta fuerza resultante puede descomponerse en dos resultantes: una perpendicular al viento relativo de la corriente de aire denominada SUSTENTACION “L” (Lift) y otra paralela llamada RESISTENCIA “D” (Drag).

SUSTENTACION “L” Lift

La sustentación de un perfil, es una fuerza perpendicular a la corriente de aire libre. Si en lugar de un perfil consideramos un ala completa, la sustentación vendrá dada por la siguiente formula.

Donde:

     L = Sustentación.

     δ = Densidad del aire.

     V = Velocidad

     S = Superficie alar.

     Cl = Coeficiente de sustentación.

El coeficiente de sustentación Cl depende exclusivamente del ángulo de ataque α para cada perfil. A medida que aumenta el ángulo de ataque, aumenta el Cl hasta alcanzar un ángulo de ataque tal que se obtiene el Cl máximo, en el que la corriente de aire se desprende del extradós, entrando el perfil en perdida.

RESISTENCIA/ARRASTRE “D” Drag

La componente resultante de un perfil cuya dirección es paralela al viento, es una fuerza que se opone al avance de la aeronave y que se debe contrarrestar con el empuje de los motores.

La resistencia total del avión viene dada por la fórmula:

Donde:

D = Resistencia.

δ = Densidad.

V = Velocidad.

S = Superficie.

Cd = Coeficiente de resistencia total

La resistencia total al avance de una aeronave es la suma de una serie de resistencias parciales que son las siguientes:

𝐶𝑑𝑡 = 𝐶𝑑𝑝 + 𝐶𝑑𝑖

• Resistencia Parasita – Es la resistencia que no contribuye a la sustentación de la aeronave y es la suma de:
  • Resistencia de presión o forma.
  • Resistencia de fricción.
• Resistencia inducida- La origina el ala, proviene del hecho de que está produciendo sustentación y tiene una estrecha relación con el ángulo de ataque “α”.

6.2.5. CIRCULACION DEL AIRE POR UN PERFIL

CAPA LIMITE

Supongamos ahora que tenemos un perfil alar, la capa molecular de aire en íntimo contacto con la superficie permanece adherida a esta, después existe un deslizamiento entre las diferentes capas, que conforme está a más distancia de la superficie, tienen una velocidad mayor, hasta un punto en que la velocidad es la de la corriente libre. La distancia que existe entre la superficie del perfil y el punto donde la velocidad es la de la corriente libre, se denomina capa límite.

CAPA LIMITE, LAMINAR, TURBULENTA

Cuando el movimiento del aire dentro de la capa limite es en forma de capas paralelas, se denomina laminar.

La fuerza de rozamiento entre las diferentes capas, debido al deslizamiento a que están sometidas al tener distintas velocidades, la denominamos “resistencia de fricción”.

En los puntos próximos al borde de ataque, la capa limite es laminar, conforme el aire se va moviéndose alejándose del borde de ataque, las fuerzas de rozamiento disipan cada vez más energía de la corriente de aire, haciendo que el espesor de la capa limite aumente, hasta que a una cierta distancia la capa empieza a sufrir una serie de perturbaciones de tipo ondulatorio que acarrean la destrucción de la corriente laminar que existía, pasando a ser turbulenta.

En la capa limite turbulenta, las partículas ya no se mueven en capas paralelas, sino de una forma caótica: las moléculas de aire pasan de una capa a otra, moviéndose en todas direcciones. El espesor de la capa limite, al pasar de laminar a turbulenta, sufre un aumento considerable y la velocidad de las partículas también aumenta; esto trae como consecuencia el aumento de la resistencia de fricción.

6.2.6. FUERZAS QUE AFECTAN AL VUELO

En este punto, detallaremos de un modo elemental, cuáles son las fuerzas que afectan al vuelo de una aeronave, no solo las que permiten que esta permanezca en el aire y avance a través del mismo como aquellas otras que tiran de la aeronave hacia el suelo o se oponen a su avance. También veremos, cuáles son los factores que afectan en mayor o menor medida y la manera que un piloto tiene de influenciarlas.

En general disponemos de cuatro fuerzas básicas.

SUSTENTACION

Como hemos comentado anteriormente, la sustentación de un perfil, es una fuerza perpendicular a la corriente de aire libre.

Como factores a tener en cuenta, nos encontramos con:

• Actitud de la aeronave:Aquí tendremos en cuenta la orientación o referencia angular de los ejes longitudinal y transversal de la aeronave con respecto al horizonte y lo especificaremos en términos de “cabeceo” o morro arriba/abajo y la posición de las alas “alabeo”. La aeronave está volando con 10° de morro arriba y 20° de alabeo a la izq/dcha.
• Trayectoria de vuelo:Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento por el aire; es decir, la trayectoria que siguen las alas/hélices de la aeronave.
• Viento relativo:Es el flujo de aire que produce la aeronave al desplazarse, el viento relativo, siempre es paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta. Su velocidad es la relativa de la aeronave con respecto a la masa de aire en la que esta se mueve.

Ángulo de incidencia: Es el formado por la cuerda aerodinámica (linea que une el borde de ataque con el borde de salida) respecto al eje longitudinal de la aeronave. Este ángulo es fijo ya que viene dado por e fabricante y responde a criterios de diseño

• Angulo de ataque:Angulo formado por el viento relativo de la corriente libre del aire con la cuerda del perfil.
• 

Cabe destacar que este ángulo es variable, pues depende directamente de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos aspectos controlados por el piloto.

Además, cabe destacar otros factores que afectan a la sustentación, como:

• El coeficiente aerodinámico
• La superficie alar.
• La densidad del aire.
• La velocidad del viento relativo.
• El ángulo de ataque.
• Otros factores (suciedad, rugosidad, hielo…)

PESO “W” Weight

Definiremos peso “W” como la carga combinada de la propia aeronave, el combustible/baterías, la carga de pago y cualquier otro elemento que debamos portar en la aeronave. El peso tira de la aeronave 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.

 

RESISTENCIA/ARRASTRE “D” Drag

La fuerza sobre un objeto que resiste su movimiento a través de un fluido se llama arrastre. Cuando el fluido es un gas como el aire, se llama arrastre aerodinámico o resistencia del aire.

Los fluidos pueden no ser sólidos, pero ciertamente son materiales. La propiedad esencial de un material (en el sentido clásico) es tener tanto masa como volumen. Las cosas materiales resisten los cambios de velocidad (esto es lo que significa tener masa) y no hay dos cosas materiales que puedan ocupar el mismo espacio al mismo tiempo (esto es lo que significa tener volumen). La parte de la fuerza de resistencia que se debe a la inercia del fluido – la resistencia que tiene a ser empujado a un lado – se llama resistencia de presión (o resistencia de forma o resistencia de perfil). Esto es normalmente a lo que alguien se refiere cuando habla de resistencia.

En la siguiente imagen podemos observar lo dicho anteriormente.

EMPUJE, TRACCION “T” Thrust

Para vencer la inercia de la aeronave parada, acelerarlo para el despegue o en vuelo, mantener un régimen de ascenso adecuado, vencer la resistencia al avance… se necesita una fuerza, que denominaremos empuje/tracción, de estas dos palabras utilizaremos más la de empuje, puesto que viene como derivación de la palabra inglesa THRUST “T”.

Esta fuerza, la obtendremos acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la de la aeronave, teniendo en cuenta la 3ª ley de Newton, la reacción, de igual intensidad, pero de sentido contrario, moverá la aeronave hacia delante. Esta fuerza se ejercerá en la misma dirección a la que apunte el sistema de propulsión de nuestra aeronave.

Es lógico pensar que el factor principal que influye en esta fuerza es la potencia del motor/motores, pero hay otros elementos que tienen especial influencia, como pueden ser el tamaño y diseño de las hélices, octanaje del combustible, potencia de la batería, densidad del aire…

Puesto que potencia es equivalente a energía por unidad de tiempo, a mayor potencia mayor capacidad de aceleración.

Como es de esperar, al aumentar la potencia, la fuerza del empuje superara a la de resistencia y la aeronave acelerara hasta una nueva velocidad, en la cual ambas fuerzan sean iguales, al mismo tiempo, esa mayor velocidad generará un aumento de sustentación, haciendo que la aeronave comience a ascender (suponiendo un AoA fijo). De la misma manera, disminuir la potencia provocará que la fuerza de empuje sea inferior a la de resistencia de la aeronave y la aeronave decelerará hasta una nueva velocidad de equilibrio, además la sustentación disminuirá, con lo que la aeronave comenzara a descender (suponiendo un AoA fijo).

CENTRO DE GRAVEDAD

Un punto a tener en cuenta, es el Centro de Gravedad, que es el punto donde se concentra toda la fuerza de la gravedad, además de ser el punto sobre el que “pivota” toda la aeronave. El C de G no es necesariamente un punto fijo, sino que se puede desplazar dentro de unos límites, dependiendo de la disposición de las distintas cargas en la aeronave.

Símbolo de centro de gravedad:

Una situación incorrecta del centro de gravedad puede inducir a un vuelo inestable o incontrolable, es por ello por lo que el fabricante establece un límite delantero y trasero, entre los cuales debe estar localizado el CG durante todas las fases del vuelo. A modo de resumen podemos decir que:

• CG Adelantado:
  • Aumenta la estabilidad.
  • Mayor consumo.
  • Mayor resistencia.
  • Menor autonomía/alcance.
  • Menor velocidad de crucero.
  • Aumento de la Velocidad de perdida Vs.
• CG Atrasado:
  • Disminuye la estabilidad.
  • Disminuye el consumo.
  • Disminuye la resistencia.
  • Mayor autonomía/alcance.
  • Ligeramente mayor velocidad de crucero.
  • Disminución de la velocidad de perdida Vs.