¿Cómo vuela un avión?
Este sitio explica el funcionamiento del avión, sus componentes y su entorno. Desde un punto de vista sencillo se desarrollan conceptos científicos de forma divulgativa de porqué vuelan los aviones. El propósito es aprender y divertirse con el transporte aéreo que está en auge.
Una máquina de cientos de toneladas, un avión que viaja cerca de los 1000Km/h a alturas de 12000 metros desde el nivel del mar a temperaturas de -55ºC.
¿Porqué vuela el avión?
Para empezar: ¿qué es volar?, se entiende flotar y viajar de forma controlada por el aire sin estar apoyado en el suelo.Un avión cuando está en una pista de rodadura en el aeropuerto está pegado al suelo porque hay una fuerza gravitatoria que le empueja hacia abajo y el suelo equilibra esa fuerza. Ok, así que para que el avión empiece a volar debe de haber una fuerza que sea mayor que la gravitatoria y que empuje al avión hacia arriba. Esta fuerza es la sustentación .
La sustentación empuja al ala (un avión típico de transporte tiene sólo un ala, no dos). El ala sostiene al fuselaje y resto de componentes del avión. Y el avión vuela.
Pero la pregunta en sí es ¿cómo es capaz de sostenerse el avión en el aire, una máquina que pesa del orden de cientos de toneladas?.
A primera vista parece que el aire es muy poca cosa como para que vuele un avión en el aire. Sin embargo, si sumas muchas pocas cosas tienes mucho aire, es decir:
Si agitas la mano apenas sientes el aire.
Si sacas la mano por la ventana del coche cuando va a 120 Km/h sientes una fuerza importante.
Si pudieras sacar la mano por la ventanilla de un avión de transporte (~850 Km/h) sentirías al menos una fuerza muy importante en tu mano.
Conclusión, para usar el aire como medio generador de fuerzas para que vuelen los aviones hay que trabajar con velocidades elevadas.
La sustentación es una fuerza que ejerce el aire sobre el ala de los aviones. Una fuerza es una presión por una superficie. El ala del avión al volar tiene una superficie por arriba, extradós, y por abajo, intradós. Hablando de fluidos es más cómodo pensar en presiones. Si el avión está en la pista de despegue con velocidad cero la presión tanto en extradós como en el intradós es la presión ambiente. Ahora mismo estás sometido a una presión
atmosférica en toda la superficie de tu piel. Y no te empuja hacia nigún lado porque es la mismo por toda tu piel. La fuerza resultante de esta presión atmosférica es nula.
Cuando el avión vuela a ~850 Km/h la distribución de presiones en el ala es tal que hay una fuerza resultante hacia arriba que compensa la fuerza de la gravedad. Esa distribución de presiones hace que en el intradós haya más presión que la presión atmosférica y en el extradós hay menos presión que la atmosférica. El aire que está bajo el ala empuja al ala del avión hacia arriba y vuela. El aire que está sobre el ala succiona al ala hacia arriba. La succión supone ~66% de la sustentación, es decir, es importante el aire aire que hay por debajo y por arriba. Así que, la sustentación es la suma de la fuerza generada por el aire que empuja por debajo y la fuerza de succion del aire que está por arriba del ala del avión.
Esta distribución de presiones se consigue con la geometría del ala. El estudio de este fenómeno es muy complejo. Desde el punto de vista analítico (matemático clásico). El perfil del ala del avión tiene tres
El espesor es simétrico, no generará diferencia de presiones en el aire, no contribuye a la sustentación de los aviones. No vuelan por el espesor.
El ángulo de ataque. Hace que la presión en el extradós sea menos que en el intradós. Sí genera sustentación en el avión. Cuando sacas la mano por la venta del coche y la inclinas más o menos notas como a ángulo de ataque cero sólo hay una fuerza de resistencia hacia atras. Pero si aumentas el ángulo de ataque notas una fuerza hacia atras y hacia arriba.
Curvatura. Hace que la presión en el extradós sea menos que en el intradós. Sí genera sustentación en los aviones.
Se estudian las ecuaciones que rigen el comportamiento del fluido que rodea a los aviones: ecuaciones de Navier Stokes para saber porque vuelan los aviones. Se preparan para el ordenador (se transforman en sistemas de ecuaciones
lineales: sumas y restas). Y se resuelven en el ordenador. Define las condiciones: velocidad del avión, geometría de este, ... Y obtienes la sustentación, resistencia y el estudio de algunos fenómenos reales del avión. Hoy en día ordenadores son muy lentos cómo para resolver las ecuaciones completas. Se utilizan modelos simplificados en el estudio del vuelo de los aviones. Son muy importantes y útiles para los aviones.
Desde un punto de vista experimental.
Se estudian formas geométricas para mejorar lo presente para optimizar el vuelo del avión. En este aspecto no sólo se trata de tener mucha sustentación y poca resistencia en el avión. También se consideran fenómenos reales de los aviones, entrada en pérdida, perfiles transónicos, ....y sobre todo para saber porqué vuelan los
Física del Vuelo
La física del vuelo está asociada con la dinámica de gases. Para ver aspectos puramente físicos sin referirse específicamente al vuelo véase dicho artículo.
Las leyes del movimiento de gases se estudian en un aparato conocido como tubo aerodinámico, hoy día más conocido como túnel de viento o túnel aerodinámico principalmente por el tamaño que tiene hoy día. El primer tubo aerodinámico fue construido por el inventor del motor cohete en 1897
Ziolkovsky. Para los detalles del funcionamiento del tubo y su utilización ver dicho artículo. Aquí
referiremos exclusivamente un punto de vista elemental necesario para comprender otros aspectos en las siguientes secciones.
El tubo aerodinámico
El tubo aerodinámico se emplea como modelo de estudio del comportamiento de los fluidos.
El tubo aerodinámico fue la base para comprender la física del vuelo primero y la dinámica de gases en general después. El mismo, en la forma en que lo elaboró Ziolkovsky es un tubo que forma un circuito cerrado, un motor por lo general eléctrico mueve un compresor el cual impulsa el gas en el interior del tubo, el tubo tiene 2 zonas significativamente diferenciadas, la zona de trabajo y la zona de retorno por donde el aire retorna a ser impulsado por el compresor (éste como se ha aclarado es el tubo diseñado por Ziolkovxky, otros tubos pueden no utilizar un circuito cerrado y por tanto tener exclusivamente la zona de trabajo). En la zona de trabajo, en su longitud está dividido en cámaras cuya división se manifiesta por engrosamientos o
estrechamiento del tubo. Cada cámara suele tener algún sensor para determinar la presión y/o la velocidad del fluido.
Entender el funcionamiento del tubo se remite a entender que si el compresor transmite una presión está varía al llegar a una cámara cuya sección es diferente, observándose que si la sección se estrecha la velocidad aumenta y al revés, el caudal se mantiene constante, por tanto se mantiene en todo momento la ecuación que regula que varían la presión cuando varía la sección (la cantidad de flujo del fluido). Si se realiza una medida en el manómetro , se observa que la presión ha caído en el estrechamiento. Dado que la parte ancha tiene más presión, el fluído es empujado con mayor velocidad hacia la parte estrecha. el mismo principio observado en el terreno de la hidráulica se conoce como el principio de Bernoulli. La principal diferencia con los gases es que estos pueden comprimirse y dilatarse más fácilmente. Al disminuir la presión, el aire se dilata y la densidad baja, esto conlleva un cambio de velocidad. Colocando varios
manómetros a los largo de las cámaras, puede observarse dicho comportamiento. La sección más estrecha del tubo es conocida como sección crítica y presión crítica a la presión que registra en dicha zona el manómetro.
Al citar este cuestionamiento son muchas las respuestas y definiciones que se orientan al objeto en sí del vuelo de un avión. Es difícil de interpretar y explicar, pero a su vez implica un avance muy
importante para el diario vivir, defensa aeroespacial, transporte, salvamento, etc. Es así que el vuelo propiamente tal se interpreta como el efecto físico que se ve con respecto a un cuerpo u objeto al ser su normal igual a cero. De acuerdo a lo anterior hago referencia a uno de los componentes que
intervienen en la elevación de un aeroplano, llamamos a este concepto sustentación. Este término hace referencia a un teorema que posee directa relación con el efecto de Bernoulli este consiste en un principio básico del comportamiento de fluidos. En efecto lo anterior sugiere que producto de una diferencia de presiones en un perfil alar del avión o aeroplano, debe cumplirse lo siguiente:
1. Producto del paso o corte del movimiento de la corriente de aire relativa a un perfil alar su velocidad es igual y en sentido opuesto a la velocidad de la aeronave. Es por ello que al pasar el fluido por un estrechamiento las partículas aumentan su velocidad.
2. Las alas están diseñadas para que obliguen al viento a fluir con mayor velocidad sobre la superficie superior que sobre la superficie inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor que sobre la superior.
Esto hace un fiel reflejo a la fuerza aerodinámica generada cuando una corriente de aire fluye sobre y por debajo de un perfil. El punto donde este se divide se le designa “punto de impacto”. La fuerza aerodinámica es la resultante de dos fuerzas que desempeñan un rol importante y estas son: sustentación y resistencia al avance.
El principio de Bernoulli
Artículo principal: Principio de Bernoulli
El principio de Bernoulli puede representarse mediante la siguiente fórmula:
Si poseemos un perfil alar con sus superficies iguales a la aeronave, necesariamente deberá aumentar su ángulo de ataque.
De este modo podemos hacer referencia que la presión es preponderante en la producción de la sustentación lo que se desprende del análisis de la siguiente ecuación:
donde: L es la sustentación; , el coeficiente de sustentación, ρ, densidad del aire; V, la velocidad del aeronave; y S, la superficie alar.
Además a mayor altura la densidad del aire disminuye; por lo cual la sustentación disminuye, para mantener el vuelo recto y nivelado se deberá aumentar la velocidad.
Demostrando el efecto que se produce para elevar un aeroplano podemos afirmar que a través de los inicios de la conquista de los cielos el avión y otros vehículos voladores, más pesados que el aire,
todavía están en su juventud. Es por esto que podemos decir que tras los decenios pasados y los que quedan por vivir se esperan progresos notables en este campo, es por ello que para que vuele un avión prevalecerá que:
y, por tanto, la sustentación iguala al peso. Porqué vuela un avión o un helicóptero
Son más pesados que el aire y sin embargo vuelan. A qué se debe? En este capítulo veremos las leyes básicas de la aerodinámica que posibilitan el vuelo tanto a nuestros modelos como a un Jumbo que puede llegar a pesar hasta 350 toneladas a la hora del despegue.
Para que un objeto permanezca en vuelo, simplemente la fuerza vertical que lo eleve tendrá que ser igual o mayor que la fuerza de su peso.
Cómo se crea esa fuerza vertical que sostendrá al avión? El ala tiene una forma de sección especial, el perfil alar, que al paso del aire crea la fuerza de sustentación. La curvatura de este perfil obliga al aire pasar a mayor velocidad por encima que por debajo causando una diferencia de presiones, más baja arriba que abajo, con lo cual el ala tenderá a subir.
Como hemos visto, la condición para que esto ocurra es que el aire pase a una cierta velocidad por el ala. Cuanto mayor la velocidad mayor la sustentación (dentro de unos límites físicos, claro está). Asi que será necesario impulsar el avión hacia delante con una fuerza de tracción, en contra de la resistencia al aire, para que el ala pueda crear la fuerza de sustentación necesaria para vencer el peso del avión y pueda elevarse. La fuerza de sustentación siempre será perpendicular al perfil alar.
Y esto en fondo es todo el secreto... Cuando la tracción, la resistencia al aire, la sustentación y el peso están en equilibrio, el avión volará a una velocidad y altura constante.
Como ya se mencionó más arriba, la velocidad con la que pasa el aire por el ala, influye la
sustentación. A su vez, para que el avión se eleve, la sustentación deberá de ser mayor que el peso. Ahora se entiende que es importante que el avión sea lo más ligero posible. Asi la potencia de tracción podrá ser menor. Por otro lado, cuanto más aerodinámica sea la forma del avión, menos resistencia al aire tendrá y menos potencia se derrochará.
Y en un helicópero? Básicamente sucede lo mismo. La diferencia reside en que el paso del aire para crear sustentación no se consigue impulsando todo el aparato hacia delante, sino impulsando las alas circularmente. Es por esto que ya no se habla del ala, sino del rotor.
Y ahi también está la razón por la cual un helicóptero es capaz de elevarse verticalmente sin necesidad de una pista de despegue para ganar velocidad previamente. Ahora se puede pensar que un helicópero es mucho más simple que un avión, sin embargo, la complejidad surge a la hora de controlar el vuelo. Aqui hay grandes diferencias entre los aviones y los helicópteros, por lo cual se tratan en dos capítulos por separado.
¿Por qué vuela un avión?
Por @Wicho — 18 de Junio de 2012
Hace unos días una compañera me pidió que le confirmara si era cierto aquello que se dice de que los aviones vuelan porque la forma del ala hace que el aire que pasa por la parte de arriba del esta vaya más rápido que en que pasa por abajo para llegar al mismo tiempo a la parte posterior del ala, lo que se denomina el borde de fuga.
Este aumento de velocidad, según esta explicación, causa una caída de presión en la parte superior del ala que hace que se genere la sustentación gracias a la fuerza que ejerce el aire que de la parte inferior del ala, que según esta explicación estaría a más presión.
Esta es una explicación que se encuentra en muchos sitios, pero tiene el pequeño inconveniente de que no es cierta, y no hay que pararse mucho a pensarlo: de serlo, los aviones no podrían volar en invertido, y aquellos que tuvieran perfiles alares simétricos, que los hay, tampoco podrían volar, pues el aire tardaría lo mismo en recorrer la parte inferior que la superior del ala, por no hablar de los aviones de papel, que vuelan con alas perfectamente planas.
Así que la remití a la magnífica anotación Así vuela un avión de La Pizarra de Yuri, que lo explica perfectamente, y que aquí resumo, espero que sin meter mucho las patas.
Básicamente, dice que hay tres explicaciones que se utilizan normalmente para eso de que los aviones vuelen, y las tres son erróneas:
La «explicación Venturi», que afirma que al tener la parte superior del ala (el extradós) una curvatura mayor que la inferior y por lo tanto ser más larga acelera el aire al cortarlo, creando una zona de presión menor como si fuera una boquilla de Venturi, lo que tendría un efecto ventosa que tiraría del ala hacia arriba generando la sustentación. El problema es que el ala no es una boquilla de Venturi, con lo que no se produce tal efecto, aparte de que de ser cierta no permitiría volar en invertido ni a aviones con alas de perfil simétrico, entre otras cosas.
La «explicación Bernoulli», muy similar a la anterior, que de nuevo dice que al ser la parte
superior del ala más larga que la inferior el aire tiene que acelerar al pasar sobre ella para volver a encontrarse con el aire que pasa por debajo, creando la sustentación gracias al principio de Bernoulli. En este caso, aunque sí es cierto que se produce un empuje a causa del efecto Bernoulli, este es mucho más pequeño de lo que sería necesario para levantar un avión, y nos volveríamos a encontrar con el pequeño problema de que haría imposible el vuelo invertido. Por otra parte, se ha comprobado experimentalmente que en realidad las moléculas de aire que van por la parte superior del ala van mucho más rápido que las de abajo y se escapan del ala por su borde de salida mucho antes que las que van por abajo.
«Newton en el intradós»: esta tercera teoría dice que las moléculas de aire que chocan con la parte inferior de ala (el intradós) producen un empuje hacia arriba que genera la sustentación, lo que estaría muy bien de no haber otras moléculas haciendo lo mismo en la parte superior del ala que anulan este efecto, al menos a las velocidades y alturas habituales a las que viajan aviones, helicópteros y demás. La excepción serían vuelos a gran altura y velocidad, tipo transbordador espacial, ya que en esas condiciones de gran altura y velocidad con baja presión y densidad del
aire sí hay una gran diferencia entre el número de moléculas de aire que golpean el intradós del ala y el extradós.
Así que, ¿cómo rayos vuela un avión?
Pues la explicación correcta tiene también que ver con Newton y la acción y la reacción, pero también con el ángulo del ala frente al aire que le viene de frente, lo que se llama ángulo de ataque.
Cuando un objeto se mueve a través de un fluido, y el aire lo es, las moléculas del fluido tienden a permanecer en contacto con el objeto en cuestión debido al efecto Coandă, lo que en el caso del ala provoca un desplazamiento hacia abajo del aire que pasa por su parte superior.
El efecto Coandă en acción con un chorro de agua y una cuchara. En este caso es el fluido el que se mueve desde nuestro punto de vista, pero es igual, pues ya dijo Einstein que todo es relativo - Foto Coanda spoon, CC BY-SA 2.5 por Axda0002
El desplazamiento de esta masa de aire hacia abajo, y pueden ser muchos kilos por segundo los que se desplazcen, produce un fuerza hacia abajo que es contrarrestada por otra fuerza hacia arriba producida por la tercera ley de Newton, también conocida como la Ley de acción y reacción, y esta fuerza que empuja hacia arriba es la responsable fundamental de que un avión vuele.
La «hélice» de los helicópteros es en realidad un ala giratoria que funciona por el mismo principio que la de un avión
Además del ángulo de ataque la cantidad de aire desplazado depende también de la velocidad del avión, por eso cuanto más lento va aun avión mayor tiene que ser el ángulo de ataque para generar la sustentación suficiente, y por eso se utilizan también flaps y otros dispositivos para aumentar la
sustentación del ala a velocidades bajas.
Todo esto tiene, por supuesto muchos matices. Pero además, como se puede ver en los comentarios de la anotación enlazada, aún genera muchas discusiones más de cien años después de que volara el primer avión.
Introducción :Los aviones vuelan por una
fuerza llamada sustentación que provoca que los aviones se eleven y no caigan. Paráfrasis.
La fuerza de la sustentación esproporcional a la velocidad, a la densidad del aire & a una superficie de referencia llamada superficie alar. Por lo tanto, para que un avión se mantenga en el aire, necesita ir muy rápido, para queasí su sustentación sea lo suficientemente grande como para vencer al peso (a la
gravedad). Por eso, cuando un avión va despacio, éste entra en pérdida & cae siendo incapaz de soportar su peso
Lasustentación aparece porque la presión en la cara superior del ala (extradós) es inferior a la de la cara inferior (intradós).
que la velocidad del aire que va por el extradós es mayor que la del intradós. . ¿Y cómo consiguen los ingenieros que el aire vaya más rápido por arriba? Muy fácil,simplemente curvando un poco el ala. Por eso, los perfiles alares tienen esa forma. Gracias a la curvatura, el aire va más deprisa en el extradós, la presión es menor y debido a esa diferencia de presionesaparece la sustentación que hace que los aviones vuelen.
Síntesis.
Los aviones vuelan por una fuerza que se hace en ellos llamada sustentación, que es la que hace que puedan volar y no se caigan.Hay una diferencia de presiones en la parte de arriba y también en la parte de debajo de ala, al ser mayor la de la parte de arriba, el avión vuela.
El avión necesita ir muy rápido para que lafuerza de sustentación sea mucho más grande & pueda soportar el peso del avión.
De lo contrario si la fuerza de sustentación es más pequeña o noes la suficiente, el avión cae por qué no puede soportarsu propio peso.
Conclusión
Pues mi conclusión es que gracias a la curvatura que las personas que fabrican los aviones le hacen a las alas de los mimos, el aire pasa más rápido por la parte de...
