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Tecnología ¿Por qué vuela un avión?
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¿Por
qué vuela un avión? Existen
numerosos testimonios del interés del hombre por imitar el vuelo de los pájaros,
desde tiempos remotos. Para no extendernos en demasía, obviaremos el detalle de
los distintos intentos que para volar realizará a través de los siglos, solamente, y a manera de ejemplo, podemos citar a Leonardo Da Vinci, quien en el
siglo XV diseñó un helicóptero, demostrando una extraordinaria comprensión
de los principios del vuelo, los mismos que hoy posibilitan la utilización de
esas aeronaves. Pero fue Daniel Bernoulli (1700-1782) quien, experimentando con
el flujo de los líquidos a través de tubos de variadas formas estableció el
siguiente enunciado: "Si en un tubo determinado, la velocidad del fluido
que lo recorre es incrementada en algún punto, la presión se reducirá en ese
punto”.
Este
enunciado explica por sí solo la
teoría de la sustentación, y bien puede decirse que es la teoría
fundamental del vuelo. Toda aeronave de alas fijas tiene éstas diseñadas de
forma tal que el flujo de aire se
incremente en su parte superior, provocando la sustentación. Otra de las teorías de la sustentación se basa en la ley
de acción y reacción de Newton que establece: “Para cada acción hay una reacción
del mismo valor y de sentido opuesto”. Con referencia a la sustentación, esta
ley encuentra aplicación al establecer que el ala mantiene al avión hacia
arriba, al empujar el aire hacia abajo. El empuje del aire hacia abajo es la
acción a la que se opone una reacción, o sea, la sustentación.
Esta
teoría explica también la sustentación a diferentes velocidades. Observando
la figura se comprueba, que el aire que pasa por la parte superior del ala,
efectúa un recorrido más largo que el que lo hace por la parte inferior, y por
lo tanto, aquél deberá moverse a mayor velocidad que éste, a fin de reunirse
ambos a la salida, obteniendo como resultado, una zona de baja presión en la
parte superior del ala, de acuerdo a la teoría de Bernoulli.
Ángulo
de ataque
Otro
factor importante a considerar, es el ángulo de ataque, que es la posición del
ala con relación al viento relativo,
es decir el viento que se origina con respecto a un cuerpo, al desplazarse
éste dentro de una masa de aire (Trayectoria
de vuelo).
A cualquier velocidad, el ángulo de ataque determina la sustentación que el ala puede generar. A pequeños ángulos, la sustentación es mínima.
Dado
que el ángulo de ataque es una relación entre la posición del ala y el viento
relativo, no debe medírselo con respecto al suelo, sino con referencia a la trayectoria
de vuelo.
Por
ello es que se habla de viento
relativo, o sea, si bien es cierto que a mayor ángulo de ataque mayor
sustentación, el aumento de dicho ángulo encontrará un punto de máxima
sustentación, traspasado el cual ésta comienza a disminuir hasta desaparecer,
si se insiste en el aumento de aquél ángulo.
Esta
disminución de la sustentación es consecuencia de la ruptura del flujo de aire
sobre el perfil alar, ya que ahora, en lugar de un paso continuo de aire, se
presenta una turbulencia en forma
de burbujas, que lógicamente no produce las condiciones de sustentación
requeridas.
En
la mayoría de los aviones, el punto de mayor sustentación se logra con un ángulo
de ataque de 20°. Por otra parte, un ángulo de ataque negativo (o sea con la
nariz del avión por debajo de la línea de vuelo horizontal), reducirá también
la sustentación.
Asimismo,
cuando se aumenta el ángulo de ataque, las partículas de aire que actúan en
la superficie inferior del ala ayudan a la sustentación, aunque el valor real
de esa sustentación adicional no pasa de un 25 %. Fuerzas
que actúan sobre un avión en vuelo
Como
los aviones se construyen para volar, a fin de cumplir ese propósito, la
primera fuerza que se debe conseguir que actúe es la sustentación. Pero hay
otras tres fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo.
El
avance de un avión dentro de una masa de aire provoca un viento relativo que al
circular por sobre sus alas produce la sustentación. Al avanzar el avión por
efecto de la tracción, automáticamente aparece otra fuerza, la carga o la
resistencia al avance, que actúa en contraposición de la anterior. Por último,
la fuerza de gravedad, a la que se opone la arriba nombrada sustentación. Tracción
La
tracción, que es la fuerza que produce el avance del avión, se obtiene de la
planta de poder, pudiendo ser ésta un motor a pistón, turbohélice, turbofan,
turbina pura. Aquí se considerará el motor a explosión o a pistón que mueve
una hélice, que es el elemento que finalmente producirá la tracción.
Este
es el tipo de avión que se usa actualmente para la instrucción de alumnos
pilotos civiles. Carga o resistencia al avance
Se
llama así a la reacción al avance que producen las partículas de aire al
friccionar contra toda la estructura del avión. La resistencia al avance es
mayor cuando menor sea la altitud a que se vuele, y disminuirá a medida que se
ascienda, debido a que la densidad atmosférica es inversamente proporcional a
la altura. Fuerzas de gravedad
Esta
es la cuarta de las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo, debiendo ser
contrarrestada por la sustentación, siendo, por lo tanto el peso total del avión,
la primera fuerza a superar para que el vuelo sea posible. El valor de la fuerza
de gravedad entre dos cuerpos depende de la masa de éstos y de la distancia que
los separa. Cuánto mayor sea la distancia menor será la atracción entre
ellos, pues aquella fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que los separa. Cuando se habla de la atracción por gravedad entre un
cuerpo y la tierra, se la denomina “peso” de ese cuerpo. Las actuaciones del avión pueden deducirse fácilmente analizando la naturaleza de las fuerzas que actúan sobre él en la condición que se desee estudiar, vuelo horizontal, subida, viraje, etc.
En la figura se representan las fuerzas que actúan sobre un avión, en vuelo horizontal y sin aceleración. Donde: T = Tracción (Thrust) D = Arrastre (Drag) L = Sustentación (Lift) W = Peso (Weight)
Desarrollo de Fuerzas en un perfil Fuerza Aerodinámica La fuerza aerodinámica (AF) es el resultado de todas las presiones estáticas que actúan en una superficie aerodinámica, multiplicado por el área afectada por las presiones. La línea de acción de la fuerza aerodinámica pasa a través de la cuerda en un punto denominado centro de presión (CP). Debe observarse que las fuerzas que actúan sobre un avión, o sobre una superficie aerodinámica, lo hacen dentro de un sistema de coordenadas rectangulares. Uno de estos sistemas podría definirse por los ejes longitudinal y vertical del avión. Otro puede ser el formado por ejes paralelos y perpendicular a la superficie terrestre, y un tercer sistema de coordenadas viene definido por la dirección del viento relativo y un eje perpendicular al mismo. Este último sistema es el que se elige para definir las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámica.
La
fuerza AF (Aerodinamic
Force) puede descomponerse en otras dos: una paralela al viento relativo y
denominada resistencia, y otra perpendicular a dicho viento y denominada
sustentación. En la figura se muestra la descomposición de la fuerza aerodinámica
AF en sus componentes L (Lift) y D (Draft).
Cuando
varía el ángulo de ataque o velocidad del avión, varía también la magnitud
y dirección de la fuerza AF, así como la localización del centro de
presión CP (Center Pressure). Factores que afectan al vuelo
El
primer elemento o factor que afecta al vuelo de un avión es a velocidad. ¿Cómo
afecta la velocidad a la sustentación, resistencia al avance, tracción y
gravedad?. Cuanto más rápido vuele un avión, mayor será el efecto que sobre
él producirá el principio de Bernoulli, o sea, que cada vez será menor
la presión sobre la parte superior del ala. También se produce un mayor
impacto de moléculas de aire en la parte inferior del ala. En esta forma, la
velocidad incrementa la sustentación. Pero, consecuentemente, un aumento de la
velocidad de vuelo incrementa también la resistencia al avance. Ángulo de ataque
Otro
factor que afecta el vuelo es el ángulo de ataque. Con un ángulo de ataque de
cero grado, el impacto de las moléculas de aire en la parte inferior del ala es
mínimo, pero también es mínima la sustentación que se obtiene. Se vio
anteriormente que la variación del ángulo de ataque incide en la sustentación. Altitud
Este
es un factor que por su importancia no debe ser descuidado por ningún piloto. A
nivel del mar, como consecuencia de la mayor atracción que ejerce la tierra
sobre la atmósfera, ésta es más densa y logra mayor sustentación. Es por
este motivo que la operación en aeropuertos situados en zonas de elevada
altitud, exige carreras más largas de los aviones que allí aterricen o
despeguen. En otras palabras, para alcanzar la mínima sustentación requerida,
es necesario mayor velocidad, a fin de compensar el enrarecimiento del aire
debido a la altitud. Temperatura
Otro
efecto que tiene considerable efecto sobre el vuelo es la temperatura. En días
muy calurosos, las moléculas de aire estarán expandidas y desplazadas hacia
arriba por efecto térmico, creando una zona de menor presión en la baja atmósfera.
En caso opuesto, el clima frío determinará una mayor densidad atmosférica,
facilitando, en consecuencia, la sustentación. Peso y balanceo El peso, balanceo y carga es un conjunto de factores que también tiene suma importancia dado que cualquier cambio o variación en alguno de ellos modificará las condiciones de vuelo del avión. El peso, esto es la carga que puede llevar un avión entre combustible lubricantes, tripulación, pasajeros, equipaje, etc., a lo que se suma el peso de la aeronave vacía, nunca debe exceder los valores que el fabricante indique en el respectivo manual, para las distintas condiciones de vuelo. En cuanto al balanceo, que es la distribución de las cargas en una aeronave, tiene muchísima importancia, dado que una sobrecarga en cualquier zona irremediablemente provocará un desequilibrio cuyas consecuencias pueden ser irreparables. Si bien el peso nunca aumentará una vez que halla despegado, al contrario irá disminuyendo paulatinamente, el balanceo puede modificarse negativamente para la seguridad del vuelo, una vez que se halla iniciado éste, siendo la causa de esta modificación, el desplazamiento de la carga de abordo, por lo que se hace imperativo comprobar su correcta aplicación antes de emprender un vuelo.
No
se debe olvidar nunca que la capacidad que tiene una superficie sustentadora no
es ilimitada. La principal superficie sustentadora, el ala, debe esa capacidad
sustentadora a su forma, velocidad del avión, altitud del vuelo y ángulo de
ataque. Como queda dicho más arriba, todos estos factores tienen sus
limitaciones:
en efecto, un peso excesivo nunca podrá ser levantado del suelo. Ejes de un avión
Todos
los movimientos de un avión se desarrollan sobre tres ejes, lateral,
longitudinal y vertical. Eje lateral
Es
una línea imaginaria que une ambos extremos de las alas pasando por e centro
del avión. Sobre ella se efectúan los movimientos de nariz arriba (cabreada)
y nariz abajo (picada) Eje longitudinal
Se
llama así a la línea imaginaria que pasando por el centro del avión une su
parte delantera (nariz)
con su parte trasera (cola).
Alrededor de esta línea se efectúa el movimiento de rolido. Eje vertical La línea vertical imaginaria que cruza al avión por su centro, perpendicularmente a los otros ejes, se llama eje vertical y es alrededor de este eje que se ejecuta los movimientos de la proa o nariz hacia un lado y otro, ya sea en virajes o en guiñadas.
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