Explicación de funcionamiento de la aeronave, sus componentes y su entorno

I N T R O D U C C I O N

Este sitio explica el funcionamiento del avión, sus componentes y su entorno. Desde un punto de vista sencillo se desarrollan conceptos científicos de forma divulgativa de porqué vuelan los aviones. El propósito es aprender y divertirse con el transporte aéreo que está en auge.

Una máquina de cientos de toneladas, un avión que viaja cerca de los 1000Km/h a alturas de 12000 metros desde el nivel del mar a temperaturas de -55ºC.para empezar: ¿qué es volar?, se entiende flotar y viajar de forma controlada por el aire sin estar apoyado en el suelo. Un avión cuando está en una pista de rodadura en el aeropuerto está pegado al suelo porque hay una fuerza gravitatoria que le empuja hacia abajo y el suelo equilibra esa fuerza. Ok, así que para que el avión empiece a volar debe de haber una fuerza que sea mayor que la gravitatoria y que empuje al avión hacia arriba. Esta fuerza es la sustentación. La sustentación empuja al ala (un avión típico de transporte tiene sólo un ala, no dos). El ala sostiene al fuselaje y resto de componentes del avión. Y el avión vuela. Pero la pregunta en sí es ¿cómo es capaz de sostenerse el avión en el aire, una máquina que pesa del orden de cientos de toneladas.

A primera vista parece que el aire es muy poca cosa como para que vuele un avión en el aire. Sin embargo, si sumas muchas pocas cosas tienes mucho aire, es decir:

Si agitas la mano apenas sientes el aire.Si sacas la mano por la ventana del coche cuando va a 120 Km/h sientes una fuerza importante. Si pudieras sacar la mano por la ventanilla de un avión de transporte (~850 Km/h) sentirías al menos una fuerza muy importante en tu mano.

I N D I C E

INTRODUCCION…………………………………………………….100

0.1Explicacion popular de la sustentación………………….…101

0.2 Leyes de Newton y la Sustentación…………………………102

0.3 El ala como una bomba……………………………………....102

0.4 El aire tiene viscosidad…………………………………….…103

0.5 Sustentación como Función del Angulo de Ataque……..104

0.6 El ala como un resbalin…………...………………………......104

0.7 La sustentación requiere potencia……………..………...…105

0.8 Eficiencia del ala………………………………………..……....105

0.9 Potencia y carga alar…………………………………………....106

0.10 Vórtices de punta de ala………………………………..……106

0.11 Efecto suelo…………………………………………………......107

0.1 Explicación popular de sustentación

Los aviones vuelan como resultado del principio de Bernoulli, que dice, que si la velocidad del aire aumenta, la presión de este disminuye. Por esto un ala genera sustentación dado que el aire circula a mayor velocidad por su cara superior, creando una zona de baja presión, lo cual por equilibrio de presiones da como resultado la sustentación. Esta explicación usualmente satisface la curiosidad discuten esta conclusión. Algunos se preguntan, ¿por que el aire circula por la parte de arriba de ala más rápido?, Es aquí donde la explicación popular de la sustentación empieza a desmoronarse. Para explicar porque sucede esto, se recurre al argumento geométrico, que la distancia que recorre el aire esta directamente relacionada con la velocidad. La explicación que se usa habitualmente es, que cuando el aire se divide al impactar el borde de ataque del ala, separándose en un flujo que avanza por la cara superior y otro que lo hace por la cara inferior, deben converger en el borde de fuga al mismo tiempo. Esto es lo que se denomina “principio del transito en tiempo equivalente”. Asumiendo que esta idea fuese correcta, la velocidad promedio del aire sobre y bajo el ala, que se puede determinar fácilmente, porque podemos medir la distancia y luego podemos calcular la velocidad mediante el principio de Bernoulli, podemos determinar las fuerzas de presión y así la sustentación. Si hacemos un simple calculo, encontraremos que en orden de generar la sustentación requerida para un típico avión pequeño, la longitud de la cara superior del ala debiera ser, cerca de 50% mas larga que la cara inferior.

Si vemos un ala de un típico avión pequeño, que tiene una cara superior que es 1.5 -2.5 % mas larga que la cara inferior, podemos calcular que un Cessna 172 necesitaría volar a 400 nudos, para generar la sustentación suficiente. Claramente algo en esta definición de sustentación no concuerda con la realidad. Pero, quien dice que el aire que choca con el borde de ataque del ala y se divide en una parte que circula por la cara superior y otra por la cara inferior, deban encontrarse en el borde de fuga al mismo tiempo? .La figura de abajo el flujo de aire sobre un ala, en un túnel de viento simulado. En la simulación, humo coloreado es introducido en forma periódica. Podemos ver que el aire que circula por la cara superior del ala llega al borde de fuga considerablemente antes que el que lo hace por la cara inferior de esta. De hecho una inspección acuciosa muestra que el aire que circula por la cara inferior del ala, fluye en forma más lenta que el viento relativo. Esto comienza a ser demasiado para el principio de transito en tiempo equivalente.

La explicación popular implica que el vuelo invertido es imposible. Esto ciertamente no explica el vuelo de aviones acrobáticos, con alas con perfil simétrico, o como un ala se ajusta a los grandes cambios de carga como en la recuperación de una picada o en un viraje escarpado.

0.2 Leyes de Newton y la sustentación

La primera ley de Newton dice que –Un cuerpo en reposo tratara 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

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