AERODINÁMICA
Definición:
Es la parte de la física que estudia las reacciones que produce un cuerpo como consecuencia de su desplazamiento dentro de una masa fluida.
Concretamente forma parte de la hidrodinámica, la que en su momento se dividió en una parte dedicada a los fluidos líquidos y la otra a los fluidos gaseosos, por lo que se transformó en fluidodinámica, razón por la cual muchos de los principios, leyes y teoremas que inicialmente fueron enunciados para la hidrodinámica, son adoptados por la aerodinámica como el caso del teorema de Bernoulli, Nº de Reynolds, etc...
Desde el punto de vista del procedimiento, metodología y elementos utilizados para su estudio, la aerodinámica puede dividirse en: ANALÍTICA, DESCRIPTIVA Y EXPERIMENTAL.
Se deduce que el túnel aerodinámico es un importante elemento para los diferentes ensayos a los que deben someterse una aeronave, ya que permite obtener resultados similares a los que se obtendría directamente en vuelo sin los consiguientes riesgos.
La aerodinámica también puede definirse en aerodinámica de alta y de baja, también llamadas sub y supersónicas. Tal es la diferencia entre estas 2 aerodinámicas, que producen distintos conceptos matemáticos, diferentes expresiones matemáticas del mismo teorema, utilización de distintas formas de perfiles alares, distintos requisitos de estabilidad, etc...
La división de estas 2 aerodinámicas está dada por la velocidad del sonido, que en la atmósfera standard y al nivel del mar equivale a: 660 Kt (aprox. 340 m/s o 1224 Km/h).
Si bien el límite entre la baja y la alta velocidad está dada por la velocidad del sonido, empiezan a evidenciarse cambios en el comportamiento de la aeronave a valores inferiores a dicha velocidad, finalizando a valores superiores. Esto da lugar a una aerodinámica transónica que en términos generales comienza o abarca un rango comprendido entre .85 y 1.2 de la velocidad del sonido.
Cuando en cualquier parte de la aeronave se alcanza la velocidad del sonido sin la necesidad de que se esté volando a dicha velocidad, se dice que se ha alcanzado el "Mach crítico". Desde el punto de vista del diseño aerodinámico las aeronaves destinadas a vuelos a velocidad subsónica tienen como límite máximo el valor correspondiente al mach crítico.
Los campos de acción o temas que estudia la aerodinámica son: maniobras de vuelo, estabilidad, performances y aeroelasticidad. Esto significa que estos 4 temas principales del anteproyecto, diseño y cálculo de una aeronave se ven abarcados por la aerodinámica, desde el punto de vista del análisis de los cambios que se pueden producir y sus influencias en el comportamiento aerodinámico.
Se define como maniobras de vuelo al conjunto de movimientos que realiza el piloto sobre los comandos para determinar una trayectoria (comandos del motor y de la aeronave).
La estabilidad se encuentra estrechamente relacionada con la maniobrabilidad y se refiere al conjunto de momentos de las fuerzas actuantes sobre la aeronave.
La aeronave será estable si la suma de los momentos es igual a 0.
Si el C.G. (centro de gravedad) cambia y las fuerzas se mantienen constantes o al revés, para mantener la estabilidad de la aeronave, la sumatoria de los momentos debe ser igual a 0.
S
M = 0 Þ EquilibrioMT = 0
MW = 0
L.b = D.d2 (Caso en el que giraría)
S
M = L.b+(-D.d2) = 0
Cuando el eje de tracción está por encima del eje longitudinal un aumento de potencia genera un momento de cabeceo negativo, y cuando está por debajo el cabeceo es positivo.
Centro de presión: Punto de aplicación de la sustentación. Varía con respecto al ángulo de ataque.
La posición de T varía si vemos al avión en planta (de arriba o de abajo).
PERFORMANCE
La performance de una aeronave se determina durante la etapa del anteproyecto y es uno de los cálculos más importantes ya que dependiendo de sus resultados, se sabrá si la aeronave cumple o no con los objetivos o funciones prefijadas.
Este cálculo netamente analítico permite determinar valores tales como: Máximo ángulo de trepada, máxima velocidad de ascenso, techo de servicio, techo absoluto, carrera de decolaje y aterrizaje en función de otros parámetros, relación de planeo, etc...
Los datos así obtenidos se vuelven a replantear durante la etapa de proyecto, cálculo y diseño final; y finalmente se verifican dichas performances en la serie de vuelos de prueba y homologación de la aeronave, donde los resultados son volcados al manual de vuelo.
En términos generales puede definirse a las performances como las cualidades demostradas por la aeronave durante la serie de vuelos de homologación.
Para el cálculo de performances, y teniendo en cuenta la enorme influencia de las fuerzas aerodinámicas y a los efectos de estandarizar los resultados, los países precursores en el estudio de la aviación crearon una tabla con valores de los parámetros de la atmósfera especialmente aquellos que tenían influencia en el valor de las fuerzas aerodinámicas y en el valor de la potencia del motor como lo es la presión atmosférica.
Si bien sobre una aeronave en vuelo básicamente se consideran 4 fuerzas, para el cálculo de las performances se consideran únicamente 2 ya que son las que en última instancia determinarán el valor de la mayoría de las performances y que son: Tracción y resistencia al avance.
Por lo tanto se deduce que a partir de las características aerodinámicas entregadas por el perfil del ala, se determinará el valor de las performances y por lo tanto resulta imprescindible mantener las cualidades aerodinámicas del perfil y una forma de lograrlo es evitar la deformación del mismo ya sea transitoria o permanentemente.
Las 2 fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la superficie sustentadora a partir del perfil son: Sustentación y Resistencia (L lift y D drag).
L = 1/2r .v2.Sa.Cl
D = 1/2r .v2.Sa.Cd
Donde puede observarse la influencia o relación directa entre la densidad del aire y el valor de dichas fuerzas. El sólo hecho de un cálculo a diferentes alturas donde todos los parámetros se mantuvieran constantes menos la densidad del aire, traería como consecuencia la disminución de las mismas, cuanto menor es el valor de la densidad relativa.
Si a una altura determinada donde la densidad relativa vale .65, ambas fuerzas aerodinámicas se reducen en un 35% con respecto al valor que tenían al nivel del mar. Y, en el caso de la potencia de las plantas motopropulsoras, donde el parámetro que inicialmente determina dicho valor, y que es la presión atmosférica, cabe realizar el mismo razonamiento.
Como conclusión, todos aquellos factores que modifican el valor de la tracción y de la resistencia al avance, modifican las performances del avión.
*EL PERFIL NO GENERA SUSTENTACIÓN NI RESISTENCIA AL AVANCE*
AEROELASTICIDAD:
La aerodinámica interviene en este tema debido a que la aeroelasticidad es un efecto que se produce en aeronaves de altas performances, especialmente con alas en flecha y concretamente el efecto aeroelástico consiste en la deformación estructural como consecuencia de las fuerzas aerodinámicas actuantes y como reacción a dichas fuerzas aerodinámicas aparecen las fuerzas propias de la resistencia estructural con el objetivo de que la deformación inicial no adopte dimensiones significativas y riesgosas para la aeronave.
En este campo la aerodinámica interviene con el objetivo de analizar el comportamiento ante la deformación ya que básicamente se modifica la forma exterior de la aeronave y toda deformación exterior termina invariablemente alterando el valor de las fuerzas aerodinámicas y como consecuencia de ello, modificando las performances.
Llevado este caso a un ejemplo cotidiano, una deformación aeroelástica, es comparada con una aplicación de comandos del avión donde la consecuencia final es en todos los casos una modificación de las fuerzas actuantes y por lo tanto de la estabilidad de la aeronave.
Existen diversos factores considerados bajo la denominación de aeroelasticidad y prácticamente la mayoría de ellos resultan más notorios cuanto mayor es la velocidad de la aeronave. Unos de los principales efectos aeroelásticos es el FLUTTER, el calentamiento aerodinámico, la inversión de comandos, etc...
El efecto FLUTTER aparece en aeronaves subsónicas y fundamentalmente con alas en flecha siendo el factor determinante la velocidad. Comienza con una deformación de la estructura alar, generalmente es una flexión vertical y que como consecuencia de la resistencia estructural del ala, la reacción tiende a oponerse a dicha deformación inicial, contrarestándola.
La deformación inicial es consecuencia de las llamadas fuerzas excitadoras y la reacción es causada por las fuerzas amortiguadoras.
Estas fuerzas pueden superarse mutuamente o bien encontrarse en equilibrio. Cuando las fuerzas excitadoras son inferiores a las amortiguadoras, no existe riesgo alguno de daños o fallos estructurales. En cambio, cuando las amortiguadoras son inferiores a las excitadoras puede producirse algún tipo de daño. Teniendo en cuenta que según el diseño de cada aeronave, la velocidad determina la relación entre las intensidades de cada fuerza, se calcula el valor de la velocidad a partir de la cual las fuerzas excitadoras comienzan a superar a las amortiguadoras y se denomina "velocidad crítica de flutter" y que bajo ningún aspecto debe superarse debido a los riesgos antes mencionados.
La manera de evitar que se supere esta velocidad crítica es estableciendo una VNE inferior con un margen de seguridad. De esta manera aparece la primera razón por la que nunca debe superarse la VNE.
El efecto flutter también se conoce como efecto flexotorsor debido a que ante una flexión del ala la estructura responde con una torsión provocando un efecto antagónico. Esta flexotorsión es tenida en cuenta durante el diseño de la estructura primaria del ala (cantidad y ubicación de los largueros, ubicación de las costillas, de los tubos de compresión, etc...).
Torsión: Modifica el ángulo de ataque
Efecto aerodinámico ↑↓ y reacción estructural ↓↑
(excitadoras) (amortiguadoras)
L = 1/2r .v2.Sa.Cl < Perfil a
Mecánica de los fluídos
Analiza el comportamiento y trayectoria de las líneas de corriente al ser interceptadas por un cuerpo. También analiza la variación de los principales parámetros de dicha masa fluida, relacionados con la aerodinámica, tales como: variación de la trayectoria de las líneas de corriente, de su velocidad, fricción, etc...
Una de las conclusiones más importantes para la aerodinámica desde el punto de vista de la operación de la aeronave es el comportamiento del perfil aerodinámico ante variaciones de su actitud o posición dentro de dicha masa fluida y en consecuencia su influencia en las fuerzas aerodinámicas (L y D).
En los inicios del análisis del comportamiento de las líneas de corriente, se recurrió a la hidrodinámica teniendo en cuenta la mayor facilidad para la visualización de dichas líneas y en segundo lugar a la validez de los resultados, osea que podrían ser aplicados para la aerodinámica.
Podemos considerar que una masa fluida está constituida por una serie de líneas de corriente que se mueven en conjunto con dicha masa y que entre ellas existe una cierta homogeneidad en sus parámetros como por ejemplo: temperatura, velocidad, trayectoria, etc...
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2-
3-
La distancia x depende de la forma del cuerpo, de su acabado superficial, de su posición o actitud con respecto a las líneas de corriente, de la velocidad y viscosidad o densidad de la masa fluida.
Continúa en AERODINAMICA 2
Fernando Rodríguez 2002