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¿Por qué vuela un avión?

Partes del avión

Alas

Perfiles alares

Tren de aterrizaje

Mandos de vuelo

Estructura

 

¿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.