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Sustentación - Resistencia - Peso - Empuje

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Fuerzas del Vuelo

Existen, básicamente, cuatro fuerzas que se generan durante el vuelo: sustentación, resistencia, empuje y peso. La figura de abajo muestra cómo es que estas cuatro fuerzas se relacionan entre sí para lograr que el avión se mantenga en equilibrio mientras vuela. La fuerza de sustentación apunta hacia arriba, en sentido opuesto al peso. El empuje impulsa al avión hacia adelante, pero la fuerza de resistencia se opone al vuelo. La fuerza de sustentación debe ser mayor que el peso y el empuje más poderoso que la fuerza de resistencia para que el avión pueda comenzar a volar.
Ver figura 1.1

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Fuerzas de un Avión en Vuelo Estacionario y Simétrico

Peso

El peso es el resultado de la gravedad. La gravedad es una fuerza natural que hace que los cuerpos, incluyendo los aviones, sean atraídos hacia la tierra. Por lo tanto, la dirección del peso es hacia abajo.

Sustentación

La fuerza que empuja a un objeto hacia arriba en dirección opuesta al peso es la sustentación. En el caso de un avión o un pájaro, la elevación es creada por el movimiento del aire alrededor de las alas. El aire que se mueve sobre la ala lo hace con una velocidad distinta al aire que se mueve por debajo de la ala, creando así la sustentación. Hay dos maneras de lograr que esto suceda. Las alas pueden tener una superficie superior curvada y una superficie inferior más plana. Esto hace que el aire que fluye sobre la superficie superior de la ala se mueva más rápidamente. Y esto crea sustentación. O también se puede utilizar una ala plana y hacer que vuele con un ángulo de ataque con respecto al viento. Esta ala inclinada hace que el aire se mueva más rápidamente sobre ella, creando sustentación.

Las alas de los aviones modernos tiene una superficie superior curvada. La ilustración de abajo muestra dos tipos de líneas aerodinámicas; unas pasan sobre la ala y otras por debajo. El aire que corre más rápidamente hace que la presión baje en la parte superior de la ala, mientras que el aire más lento crea una presión más alta en la parte inferior de la ala. Las dos juntas hacen que se produzca la sustentación.

Según la tercera ley de Newton, para cada acción hay una reacción de igual magnitud, pero en dirección contraria. Por lo tanto, si las alas de un avión empujan el aire hacia abajo, la reacción resultante es un empuje hacia arriba del aire sobre las alas. Los aviones que tienen alas planas (en lugar de alas combadas o curvadas) deben inclinarlas para poder producir sustentación.

Por lo general, entre más rápidamente va volando un avión, mayor es la sustentación que se genera. Si la velocidad aumenta al doble, ¡la elevación aumenta cuatro veces!

Los coches de carreras también hacen uso de la sustentación. Sin embargo, ésta es sustentación negativa porque el perfil aerodinámico de las alas que usan estos coches produce sustentación que apunta hacia abajo. Esto ayuda a que los autos de carreras mantengan contacto con la pista cuando toman las curvas a alta velocidad.

Empuje

El empuje es generado por los motores del avión (o el aleteo de los pájaros). Los motores pueden usarse para hacer que hélices propulsoras den vuelta a gran velocidad o pueden ser motores de propulsión a chorro que expulsan gases calientes por la parte posterior. Si el empuje es lo suficientemente grande, logrará superar el peso del avión y la resistencia del aire, y el avión podrá volar.

Resistencia del Aire

La fuerza de resistencia actúa en contra del empuje y retarda el movimiento del avión.

Hay cuatro tipos de resistencia:

Fricción - Conforme un avión viaja a través del aire, el aire debe circular alrededor del avión. El aire "roza" contra la piel metálica del avión. Esto tiende a retardar el movimiento del avión.
Resistencia de forma - La forma que tiene un avión hace que haya más o menos fricción. Si el avión tienen una forma "aerodinámica", el aire pasará alrededor de él con menos resistencia. Piensa por ejemplo en un trailer o un autobús. La parte plana de enfrente no es aerodinámica. Esto crea más resistencia y, por lo tanto, hace que se gaste más gasolina. Saca la mano por la ventana de un coche, con la palma hacia adelante; éste es un ejemplo de la forma que tiene la parte de enfrente de un trailer o un autobús. ¡Siente la resistencia del aire!
Resistencia inducida - Cuando las alas crean sustentación, también crean resistencia.
Resistencia de onda de choque - Cuando un avión viaja cerca a la velocidad del sonido o más rápidamente, el flujo del aire que corre alrededor del avión cambia, generándose una resistencia adicional.

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Podemos decir a grandes rasgos que las alas poseen las siguientes partes:

1 Borde de ataque: Borde redondeado delantero del ala
2 Borde de fuga: Borde delgado posterior del ala
3 Extradós alar: Superficie convexa superior del ala
4 Intradós alar: Superficie cóncava inferior del ala
5 Cuerda alar: Linea que une el centro del borde de ataque con el borde de fuga



La ley de Bernoulli sostiene que la energía total de un fluido en movimiento se mantiene constante; dicho de otra manera, la relación entre la presión y la velocidad del fluido es constante, entonces al aumentar una deberá disminuir la otra.

El ala o aspa de rotor en caso de los helicópteros comienza a sustentarse cuando circula viento de frente a ella en dirección paralela y opuesta, a este viento se lo denomina viento relativo. Al chocar con el borde de ataque se dividirá en dos flujos, uno circulara por el intradós que reducirá su velocidad con el consiguiente aumento de presión, y el otro fluirá por el extradós que aumentara su velocidad para alcanzar al flujo inferior en el borde de fuga disminuyendo su presión.

Cuando decimos que; los flujos se aceleran o deceleran, da la impresión que esto ocurre por arte de magia, en realidad esto se consigue por la forma del ala, pensada para provocar diha diferencia de velocidad.

Para quienes quieran profundizar sobre este tema, le sugiero visiten "El rincón Aeronautico" donde esta muy bien desarrollada toda la temática del diseño y construcción de aeronaves.

Las diferencias de presiones (que actúan como fuerzas) mas alta en el intradós y menor en el extradós da como resultante una fuerza de abajo hacia arriba, esta es la fuerza de sustentación.

La deflexión hacia abajo en la parte posterior del ala incrementa la fuerza de sustentación y esta pude variarse al cambiar la inclinación del ala respecto del viento relativo.

Al ángulo que se forma entre el ala o rotor y el viento relativo se lo denomina ángulo de ataque, si este se incrementa (elevando el morro) se lograra aumentar la sustentación.

El aire al pasar por el ala también genera una resistencia, la que se incrementara al aumentar el ángulo de ataque; a esta se la denomina resistencia inducida.

Todo tiene un limite y el angulo de ataque puede incrementarse mientras no se alcance el ángulo critico de ataque. Una vez alcanzado, el flujo laminar sobre el ala no podrá seguir el contorno de la misma, despegándose de la superficie para generar turbulencias; reduciéndose rápidamente la sustentación , a este fenómeno se lo conoce como "entrada en pérdida".

Para corregir esta situación basta con reducir el ángulo de ataque por debajo del critico, generalmente bajando el morro del avión.

El ángulo critico de ataque es propio de cada ala y nada tienen que ver factores de carga, motores, condiciones climáticas, etc, la entrada en perdida por alcanzar dicho ángulo es netamente un fenómeno aerodinámico y siempre será el mismo independientemente de la velocidad u otros fenómenos típicos del vuelo.

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Cuando hablamos de ángulo de ataque dijimos que es el que se forma entre el ala o rotor y el viento relativo. En este punto debemos diferenciar bien entre trayectoria de vuelo y la actitud del avión (posición de cabeceo) puesto que el viento relativo no proviene siempre desde donde apunta el morro de la nave.

Por ejemplo en una aproximación a baja velocidad con un ángulo cerrado el morro apuntara sobre el horizonte (actitud) aunque el avión en realidad esta descendiendo con un ángulo determinado (trayectoria de vuelo), desde allí provendrá el viento relativo. En otras palabras el ángulo de ataque es el que esta formado por el ala y la trayectoria de vuelo.

Con el fin de mejorar el control de vuelo en todas las condiciones a las alas se le agregaron aditamentos como ser, flaps, alerones, spoilers.

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