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Elementos de la aerodinámica y sus efectos en el vuelo

La Aerodinámica es la parte de la Física que trata los efectos producidos, por la acción del Aire (Atmósfera), sobre un Cuerpo (Avión).

Atmósfera

Es la Capa Gaseosa que envuelve a la tierra y que se compone de una mezcla de gases.
La mezcla de gases es distinta en las capas atmosféricas cercanas a la superficie que en la alta atmósfera.
La composición de aire normal, puro y seco, cerca de la superficie es en tanto por ciento por volumen de los cuerpos siguientes:

atmosfera.jpg

* Nitrógeno 78.48%
* Oxígeno 20.95%
* Argón 0.93% este es uno de los llamados gases raros.
* Bióxido de Carbono 0.3%
* Ozono (Variable)
* Neón 0.0018% este es uno de los llamados gases raros.
* Helio 0.0005% este es uno de los llamados gases raros.
* Criptón 0.0001% este es uno de los llamados gases raros.
* Hidrógeno 0.00005%
* Xenón 0.000008% este es uno de los llamados gases raros.
Además el aire contiene Vapor de Agua en cantidades variables.
Como puede observarse por la enumeración anterior, el aire seco está compuesto principalmente de Nitrógeno y Oxígeno.
El Ozono y el Vapor de Agua se encuentra en cantidades variables en la Atmósfera.
Le siguen en importancia el Bióxido de Carbono, los Gases Raros y el Hidrógeno.
Si al Aire Seco se agrega vapor de agua se forma el aire húmedo.
Se calcula que en la atmósfera existen unos 13 millones de toneladas de vapor de agua.
Por último, en el aire existen pequeñas partículas de cuerpos sólidos que son conocidos corrientemente con el nombre de impurezas del aire.
Las Impurezas más importantes son las siguientes:
- Partículas de Sal.
- Polvo.
- Humo.
De las capas de la atmósfera la más importante es la Troposfera, ya que en ella se realiza la mayor parte de los vuelos y debido a la concentración de humedad, también la mayor parte de los Fenómenos Meteorológicos ó Atmosféricos.

LA ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA:

La Troposfera ó Esfera de Cambios, es la capa inmediata superior a la superficie, que alcanza una altura de 10 kilómetros en las regiones Ecuatoriales y de 8 kilómetros en las Polares.
La Tropopausa se llama al límite entre la Troposfera y la capa siguiente es decir la Estratosfera.
La Estratosfera ó Esfera de Estratos, se encuentra arriba de la troposfera y alcanza hasta 60 kilómetros de altura. Su composición química sigue siendo de Nitrógeno, Oxígeno y Argón. Hasta esta capa llega la Navegación Aérea Militar.
La Mesosfera se halla entre los 60 y 80 kilómetros desde la superficie, es decir encima de la Estratosfera. Su capa alta se caracteriza por la presencia de Ozono originado por la acción de los Rayos Ultravioleta provenientes del Sol. En la Mesosfera se observan las nubes luminiscentes nocturnas.
La Ionosfera es la capa siguiente, a partir de los 80 kilómetros, que se extiende hasta 650 kilómetros de altura. Esta esfera de iones se llama así porque en ella se producen fenómenos de carácter lumínico en los que intervienen activamente el Nitrógeno y el Oxígeno Ionizados. En la Ionosfera existen dos niveles eléctricos, a saber: 1) el Kennelly-Heaviside, en la capa "E", entre 110 y 130 kilómetros desde la superficie, donde son reflejadas las ondas largas de radio; y 2) el Appleton, entre las capas F1 y F2 que corresponde a una altura entre los 190 y 240 kilómetros desde la superficie, donde se reflejan las ondas cortas de radio. En la Mesosfera y en la Ionosfera, desde 60 a 160 kilómetros de la superficie, son visibles los Meteoritos ó Bólidos que caen a la Tierra.
La Exosfera ó Esfera Exterior, se extiende desde 1,000 a 1,650 kilómetros de la superficie y está compuesta de Hidrógeno, Oxígeno y poco Helio. La mayoría de los Satélites Artificiales giran al rededor de la Tierra en las capas "E" y "F" de la Ionosfera y en los límites de ésta con la Exosfera.
Las Auroras Polares son fenómenos luminiscentes de origen eléctrico. La altura de las Auroras oscila entre los 60 y 650 kilómetros desde la superficie; pero algunas han llegado a desarrollarse hasta 1,200 kilómetros desde la superficie misma. Las Auroras Polares sólo se observan cerca de los Polos y con menos frecuencia, en latitudes medias. En las latitudes cercanas al Ecuador son excepcionales.
La Temperatura de la Atmósfera asciende desde 10°C en la superficie de las regiones templadas hasta 1,650°C en la Exosfera, pero existen dos mínimos términos de -51°C en la baja Estratosfera y de -110°C en la Mesosfera.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA:

Uno de los elementos atmosféricos, quizá el más importante desde el punto de vista meteorológico aplicado a la Aerodinámica, es el concepto de Presión Atmosférica, dado que está íntimamente relacionado con los movimientos del aire atmosférico y con las continuamente cambiantes condiciones del tiempo.

SIGNIFICADO DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA:

Presión físicamente hablando, es la fuerza que se ejerce sobre una determinada área, por lo tanto la Presión Atmosférica será la FUERZA (Peso), que el aire atmosférico ejerce sobre toda la superficie de la tierra, esta presión que se ejerce se expresa en una cierta unidad de fuerza que se encuentra por áreas.

UNIDADES DE FUERZA Y DE ÁREA:

Como la Unidad de Fuerza absoluta es la "Dina" y la Unidad de Área es el "Centímetro cuadrado" (Cm2), pero como es una unidad demasiado pequeña, a un millón de Dinas sobre Centímetro cuadrado se le dio el nombre de BAR, sin embargo para fines meteorológicos esta unidad de medida es demasiado grande, por lo que se utiliza una unidad mil veces menor y que recibe el nombre de MILIBAR.
El Milibar no es la única unidad utilizada, para expresar la Presión Atmosférica, se utilizan también el Milímetro ó Centímetro de Mercurio y la Pulgada de Mercurio, que están relacionadas con el Milibar de acuerdo con las siguientes equivalencias:
*Una Pulgada de Mercurio = a 33.86 Milibares
( Ejemplo.: 1,013.25 Mb entre 33.86 = a 29.92 Pulg. Hg )
*Un Milímetro de Mercurio = a 1.33 Milibares
( Ejemplo.: 1,013.25 Mb entre 1.33 = a 760 mm Hg )
Estas Unidades de Milímetros, Centímetros y Pulgadas de Mercurio, son las que corresponden a la altura que tiene la Columna de Mercurio en un Barómetro de Mercurio.

ATMÓSFERA ESTÁNDAR:

Ya que la Atmósfera Real está en un constante cambio, no se puede considerar un mismo valor para una determinada situación, lo que ha hecho necesario establecer una serie de valores fijos para una altitud determinada.
A estas condiciones ideales de atmósfera, se le llama ó conoce como Atmósfera Estándar, Tipo ó Ficticia, con los siguientes valores:
1.- La Temperatura al Nivel Medio del Mar (M.S.L.), es de 15°C y tiene un gradiente de 0.0065° c/mto.
2.- La Aceleración por gravedad tiene un valor de 9,0665 m/seg2.
3.- La Presión al M.S.L. es de 76 cm Hg, 29.92 Pulg. Hg ó 1013.25 mb sin decrecer proporcionalmente con la altitud.
4.- El Peso Específico del Aire es de 1.2255 Kg./m3 al M.S.L. a 15°C y 76 cm Hg.
5.- El valor de la Densidad del Aire al M.S.L., es de 0.12497 aproximadamente 1/8 Kg. masa/m3.
6.- El aire es completamente seco, es decir la humedad relativa 0%.

Avión

Muchas veces nos preguntamos por que vuela un avión?. Un elemento mas pesado que el aire y que sea capaz de vencer la fuerza de gravedad, manteniéndose en vuelo.
Esta es una especificación simple de los principios del vuelo, puede que haya muchas mas formas de explicación, pero considero que es la mas acorde para comenzar los sueños de volar.
Muchas son las causas, comencemos por la mágica palabra de ... "sustentación" definiciones del fenómeno físico que tendríamos que explicar de manera sencilla y clara viendo estudios de la función del ala.

stallmov[1].gif

El ala, lo que llamaríamos largo ancho y alto, definiríamos en lenguaje aeronáutico como envergadura, cuerda y espesor
Envergadura es la distancia entre puntas de ala o bordes marginales.
Cuerda es la distancia entre (el borde de ataque) parte delantera y (el borde de salida) parte posterior del ala.

partesala.gif

Espesor es la distancia entre la parte superior del ala (llamada extradós) y la parte inferior de la misma (llamada intradós).
Con estos parámetros básicos de un ala, le damos un corte en sentido perpendicular a la envergadura, es decir del borde de ataque al borde de salida y tendremos un sección que denominamos perfil .Es precisamente esa forma geométrica que da origen a la sustentación.
Haciendo desplazar un perfil plano dentro de un fluido laminar en este caso aire, pudiendo ver las moléculas alrededor del cuerpo, se observaría que la alteración producida sería mínima, y los filetes de aire permanecen prácticamente en paralelos .
Sin embargo, si ponemos un perfil alar en ese fluido, el comportamiento de los imaginarios filetes de aire sería diferente. Naturalmente estos se ajustan a la forma del perfil, pero en la zona de contacto con el extradós, por su mayor curvatura, los filetes de aire se comprimen, lo cual obliga a las moléculas de aire a aumentar su velocidad de paso, creándose así una depresión o, lo que es igual, un efecto de succión en el extradós del ala.
Al contrario ocurre en el intradós, donde las líneas de corriente se separan y se produce una sobrepresión.
Estos dos efectos contemplados en las leyes del movimiento de fluidos (ley de Bernuilli), hacen que nuestro perfil, y por lo tanto el del ala, sea sometido a una fuerza vertical ascendente llamada sustentación. En esta fuerza tiene mayor influencia la depresión que se produce en el extradós, que la sobrepresión del intradós.
Vemos que el avión vuela gracias a la succión del extradós, es decir como suspendido del ala en lugar de apoyado sobre ella como generalmente se cree.
Entrada en pérdida : en el perfil, la línea que pasa por el centro del borde de ataque y por el borde de salida se llama eje del perfil.
El ángulo que forma este eje con la línea del sentido de avance, recibe el nombre de ángulo de ataque. En la medida que ésta aumenta, se consigue mayor sustentación, ya que elevamos la sobrepresión del intradós y la depresión del extradós. Pero este ángulo tiene un límite, a partir del cual, las líneas de corriente se deforman y se desprenden del extradós desapareciendo así el efecto de sustentación y, por lo tanto la capacidad de vuelo del avión, que caerá bruscamente.
El ángulo de ataque máximo, a partir del cual la sustentación empieza a bajar, se denomina ángulo perdida.
En esta configuración de ángulo de ataque elevado, vemos que la superficie que presenta el ala al avance es mayor cuando es mas grande sea el ángulo, lo cual supone una resistencia que, o es compensada con un incremento de potencia en el motor, o se traduce en una disminución de la velocidad de vuelo. El efecto de la sustentación está basado, como decíamos, en el desplazamiento del ala a través del aire y está en relación directa con la velocidad ( a mas velocidad, mayor sustentación ); luego, si perdemos velocidad por la resistencia de un excesivo ángulo de ataque, perderemos gradualmente altura hasta llegar a una velocidad límite, por debajo de la cual no se produce la suficiente sustentación como para aguantar el peso del avión en el aire. Se produce, entonces, lo que se llama pérdida por falta de velocidad.


GRUPOS PRINCIPALES DE UN AVIÓN:

El Avión es un conjunto racional de elementos, que unidos entre sí permiten el vuelo estable y controlado. Los grupos principales en los que se divide el Avión para su estudio son los siguientes:

1.- GRUPO FUSELAJE.
2.- GRUPO ALAR.
3.- GRUPO EMPENAJE.
4.- GRUPO MOTO PROPULSOR.
5.- GRUPO TREN DE ATERRIZAJE.

CONFIGURACION BASICA DE UN AVION

Aunque existe diversas configuraciones y diseño de un avión, tomaremos como referencia el mas convencional, con fin de identificar sus diferentes elementos básicos con un lenguaje propio y utilizarlos en estudio de aerodinámica elemental.
Un avión está compuesto de las siguientes partes:
Ala:
Es el plano sustentador principal, cuya misión consiste en generar la fuerza aerodinámica llamada "sustentación" que permite mantener un avión en vuelo. Su principal problema es la resistencia estructural, ya que ha de construirse con una determinada envergadura, poco espesor y poco peso, teniendo que soportar a cambio la mayor parte de los esfuerzos de flexión y compresión, que se produce en un avión en vuelo. En el ala van instalados los alerones, que son los mandos de vuelo; mediante su deflexión simultanea y opuesta, hacen que el avión se incline, girando sobre su eje longitudinal, este movimiento se llama alabeo y sirve para virar o cambiar la ruta de vuelo. Los alerones intervienen también en la realización de varias figuras acrobáticas.
Estabilizador horizontal:
Es un plano que puede o no ser sustentador. Su misión principal es conseguir la estabilidad longitudinal del avión. Consta de un plano fijo y una superficie móvil, llamada timón de profundidad empleada para obtener el balanceo sobre su eje transversal. Los movimientos que se producen reciben el nombre de picado (bajar la nariz) y encabritado (subir la nariz).
Estabilizador vertical:
Está compuesto por una superficie fija llamada deriva y otra móvil o timón de dirección. Mediante la deflexión de esta última de derecha o izquierda se consigue que el avión gire en su eje vertical con un movimiento que en aviación es llama Guiñada . El conjunto de cola formado por el estabilizador horizontal y el vertical recibe el nombre de empenaje .
Fuselaje:
El fuselaje o cuerpo principal del avión, además de ser el elemento de unión de las alas y los estabilizadores, sirve para alojar en él los diversos mecanismos de control, carga, motor y tren de aterrizaje que en algunos casos puede ir sujeto en el ala.

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Fuentes de consulta:
http://bsas-vac.tripod.com/Dfc/Vuelo1/Fisica/sustentacionalas.htm
http://www.mexicanavirtual.com/adiestramiento/tutoriales/aerodinamica/index.htm