Tutoría Fly Higher IV
LA CIENCIA DE VOLAR
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Aerodinámica
Las bases
Para que vuele un avión
necesitamos dos cosas:
1) Empuje (Thrust)
2) Sustentación (Lift)
Representación del equilibrio de fuerzas
Cada una de ellas actúa en
sentido contrario a las fuerzas
que se oponen al movimiento
del avión:
1) Resistencia (Drag)
2) Peso (Weight)
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Aerodinámica
¿De qué os acordáis?
Es muy probable que ya hayas visto estas fuerzas
antes. ¿Recuerdas a qué corresponde cada una?
Defínelas en tus propias palabras e intenta recordar
experimentos o situaciones en las que las hayas visto:
Peso
Sustentación
Empuje
Resistencia
Todas son FUERZAS.
¿Puedes definir qué es una
fuerza?
¿Cómo se mide?
¿Cuál es la diferencia entre
peso y masa?
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Las Tres Leyes de Newton
¿Las recuerdas?
La mayor parte del siguiente
apartado se basa en el trabajo de
Sir Isaac Newton y sus Tres
Leyes del Movimiento.
Estas leyes son muy importantes
en física. ¿Te acuerdas de cuáles
son?
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
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Las Tres Leyes de Newton
Primera ley: Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de
movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
Segunda ley: La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente
proporcional a su aceleración. Fuerza = masa x aceleración (F = ma)
Tercera ley: Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce
sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.
El motor se empuja hacia adelante
El flujo de aire se empuja
hacia atrás
3ª Ley en acción
Motor a reacción
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Aerodinámica
Sustentación y Resistencia
SUSTENTACIÓN es la fuerza aerodinámica perpendicular a la
dirección en la que se mueve el aire. Gracias a la sustentación el
avión puede despegar.
RESISTENCIA es la fuerza aerodinámica paralela al sentido en
el que se mueve el aire. La resistencia es la enemiga del vuelo y
se tiene que superar para poder hacer volar al avión.
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Aerodinámica
Empuje y Peso
EMPUJE Se necesita para que el avión se mueva hacia delante (y lo
generan los motores). No sólo tiene que ser mayor que la resistencia
del aire, sino que también tiene que hacer que el avión se mueva a una
velocidad que genere suficiente SUSTENTACIÓN en las alas para que
permita volar al avión.
PESO es el peso total del avión, incluyendo a los pasajeros, el personal
de a bordo, el combustible y la carga. La SUSTENTACIÓN debe ser mayor
al PESO para que el avión vuele.
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Aerodinámica
Las Bases
En la segunda transparencia os
hemos mostrado el diagrama de
fuerzas que se ejercen sobre un
avión durante el vuelo.
Dibuja un diagrama similar para un
avión:
a) Inmóvil sobre la pista de
despegue.
Diagrama de Fuerzas de la diapositiva 2
b) Que rueda sobre la pista del
aeropuerto (sin despegar)
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Aerodinámica
Crear Sustentación
Al pasar el aire alrededor del ala, la presión en la superficie
superior del ala disminuye y la que hay bajo el ala aumenta
BAJA PRESIÓN
ALTA PRESIÓN
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Aerodinámica
Crear Sustentación
BAJA PRESIÓN
ALTA PRESIÓN
La diferencia de presión hace que se ejerza sobre el ala
una fuerza que la empuja hacia arriba y hacia detrás. La
fuerza hacia arriba siempre actúa a 90º respecto a la
dirección del aire – es la SUSTENTACIÓN
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Aerodinámica
¿Y qué pasa con la RESISTENCIA?
RESISTENCIA es la fuerza hacia atrás que experimenta el avión
mientras éste se mueve hacia delante, empujando contra el aire y
retirándolo para poder moverse en su dirección. También hay una
resistencia causada por la fricción entre el aire y el fuselaje del avión.
Sustentación
Fuerza resultante
Resistencia
¡Necesitamos la
potencia de un motor
para movernos hacia
delante!
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La forma de las alas
El perfil alar
El tamaño y forma del ala son vitales!
La forma básica se llama PERFIL ALAR.
Cambiando la forma del perfil alar (ajustando el espesor, la curvatura
media y la cuerda) se pueden conseguir efectos distintos. Se podría
decir que el verdadero éxito de los hermanos Wright fue encontrar la
forma de ala óptima para el avión que diseñaron, con sus características
de peso y velocidad. Además, utilizaron flaps que ajustaban la forma del
ala en las distintas fases del vuelo.
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Coeficiente de Sustentación
Cada forma de ala se prueba en un túnel de viento y se mide su
eficiencia con un Coeficiente de Sustentación. La Sustentación se
calcula utilizando una fórmula que tiene en cuenta el tamaño del
ala y la velocidad a la que se mueve.
L =
Empuje
V=
Velocidad (m/s)
S=
Superficie del ala (m²)
ρ=
Densidad del aire =
1,225 kg/m³ (atmósfera ISA a 0 m)
CL = Coeficiente de Sustentación
L = ½ ρ V2S CL
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Aerodinámica
Otros factores
La Sustentación depende de la VELOCIDAD (V2 en la fórmula) a la
que se mueve el avión. Esta velocidad es más importante antes de
despegar, cuando el avión está rodando por la pista y tiene que
superar una fuerza adicional.
¿Qué fuerza es? ¿Sabes cómo se calcula?
Como la sustentación
depende de la velocidad, el
peso (en parte) , el
combustible y los motores, la
TECNOLOGÍA de los MOTORES
es de vital importancia para la
industria aeronáutica.
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Aerodinámica
Otros factores
La reducción de las fuerzas que se oponen al vuelo (la más obvia es el PESO)
es muy importante también. Así que, aunque los MATERIALES con los que se
hacen los aviones son muy resistentes, éstos no deben ser pesados. Los
materiales ligeros y resistentes (como las aleaciones de aluminio) han sido
cruciales para el desarrollo de los aviones modernos.
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Aerodinámica: Densidad del Aire
Fíjate en que la fórmula de la SUSTENTACIÓN incluye algo en lo que a lo mejor no habías
pensado hasta ahora:
DENSIDAD DEL AIRE
¿Qué crees que quiere decir esto?
La densidad del aire se representa con la letra griega “ro”, ρ
En prácticamente toda Europa al nivel del mar ρ = 1.225 kg/m³.
En otros sitios este valor cambia dependiendo de la altura respecto al nivel del mar.
Discusión:
¿Será más fácil o más difícil despegar
desde un aeropuerto que está más alto
como Daocheng Airport en China (a
648m) o desde uno que está a nivel del
mar como Schiphol en los Países
Bajos?
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Aerodinámica
¿De qué otro modo podemos aumentar la SUSTENTACIÓN?
AIRE
6˚
10˚
16˚
También podemos conseguir más SUSTENTACIÓN modificando el
ángulo del ala respecto al sentido del flujo de aire.
Esto se denomina AoA– Ángulo de Ataque (Angle of Attack).
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Aerodinámica
Aumentar la SUSTENTACIÓN
Aquí tenemos un gráfico
de la SUSTENTACIÓN
generada con un ala a
distintos
ángulos
de
ataque (AoA).
Se puede ver que la
SUSTENTACIÓN aumenta
linealmente con el AoA
hasta que, de repente, se
reduce.
Esto
tiene
grandes
consecuencias durante el
despegue. ¿Por qué?
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Aerodinámica
Ángulo de Ataque
Pero si recuerdas, hay DOS fuerzas que se crean
mientras el ala atraviesa el aire.
¿Cuál era la otra fuerza?
¿Qué efecto crees que tendrá si se aumenta el Ángulo
de Ataque?
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Aerodinámica
Ángulo de Ataque
¡RESISTENCIA!
¡La enemiga del
vuelo!
Si creamos demasiada resistencia aumentando el
AoA, creamos nuevos problemas.
Podemos verlo mirando el gráfico de la RESISTENCIA
creada cambiando el AoA…
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Aerodinámica
Aumentando la RESISTENCIA
Aquí tenemos otra gráfica
de la RESISTENCIA creada
por un ala al aumentar el
ángulo de ataque.
Se puede ver que la
RESISTENCIA
crece
exponencialmente con el
aumento del ángulo de
ataque.
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Aerodinámica
¿Demasiada RESISTENCIA?
Combinando ambas gráficas
se puede ver que hay un
punto en el que la
RESISTENCIA es mayor que la
SUSTENTACIÓN a partir de un
determinado
ángulo
de
ataque.
Éste se llama el PUNTO DE
ENTRADA EN PÉRDIDA.
¿Qué creéis que pasa con un
avión que alcanza este punto?
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Aerodinámica
Cuestión de diseño
La figura muestra la
forma básica de un
perfil de ala para la
construcción de un
ala.
La parte central está
fija pero los bordes
de ataque y de salida
son móviles.
¿Por qué?
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Aerodinámica
Cuestión de diseño
1.
2.
3.
Las partes móviles se utilizan para hacer maniobrar al avión durante
el vuelo. Esto lo hacen cambiando la forma del perfil de ala como se
muestra en la figura.
¿Podéis identificar qué perfil corresponde a un aterrizaje, a vuelo de
crucero y a un despegue? ¿Por qué tienen esa forma?
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Aerodinámica
Maniobrando el Avión
La combinación de estas “superficies de control” permiten al avión cambiar
de dirección mientras vuela. Los aviones utilizan tres tipos de movimiento
para cambiar de posición:
Alabeo (Roll) – El avión se
mueve alrededor del eje
principal de la nave.
Cabeceo (Pitch) – El avión se
mueve hacia arriba o hacia
abajo, cambiando el AoA.
Guiñada (Yaw) – El avión se
mueve hacia la izquierda o
hacia la derecha en el plano
horizontal.
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Aerodinámica
Maniobrando el Avión
Alabeo (roll) – Se controla con las superficies de salida de las alas y hace que éstas
se muevan hacia arriba o hacia abajo para que el avión gire a lo largo de su eje.
Cabeceo (pitch) – Se controla con los estabilizadores horizontales, moviéndolos
hacia arriba o hacia abajo (en los bordes de salida)
Guiñada (yaw) – Esta parte la realiza el timón de cola moviéndose hacia la
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derecha o hacia la izquierda.
Aerodinámica
Maniobrando con el Avión
¿Qué parte
del avión lo
mueve
alrededor de
cada eje?
ALABEO (ROLL) =
Alerones. Hacia
arriba o hacia
abajo en sentidos
oppuestos
en
cada ala
GUIÑADA (YAW) =
Timón. Hacia la
derecha o hacia la
izquierda
CABECEO (PITCH) =
Estabilizadores
horizontales. Hacia
arriba o hacia abajo
ambos en el mismo
sentido
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Y POR ÚLTIMO...
La aeronáutica es un estudio complejo pero fascinante. Esta
presentación sólo ha cubierto los temas más generales. Así y
todo ha presentado también los principios básicos que se
aplican a todos los aviones comerciales y son los
fundamentos de La Ciencia de Volar. Como hemos visto,
estos principios básicos los puedes explicar con la ciencia que
estás aprendiendo en el colegio.
Esperamos que quieras averiguar más sobre este tema
en internet – hay una gran cantidad de información
disponible para todas las edades.
¡Quizás algún día VOSOTROS también seréis ingenieros aeronáuticos!
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