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Conceptos basicos de aerodinamica - Por que vuela un avión? Que es la aerodinamica? Que es la sustentación? Que fuerzas intervienen sobre un avión?



Conceptos basicos de Aerodinamica
Prólogo:  La aerodinamica forma parte de una rama de la física llamada 'mecanica de los fluidos', de la cual como toda ciencia esta plagada de fórmulas, principios, calculos, etc. Dado que ésta es una pagina dedicada a los simuladores de vuelo, trato de dar aquí algunas explicaciones sencillas y comprensibles, exponiendo una serie de preguntas basicas con sus respectivas respuestas. Y que son a saber:
 
Por que vuela un avión?
Que es la aerodinamica?
Que es la sustentación?
Que fuerzas intervienen sobre un avión? 
 
Por que vuela un avión?
Un avión es un aparato mas pesado que el aire y sin embargo se eleva. Para que esto suceda deben ejercerse sobre el mismo diferentes fuerzas. Estas fuerzas son ejercidas sobre las alas de los aviones. Las alas tienen un diseño aerodinamico que hacen que haya una diferencia de fuerzas entre la parte inferior y la parte superior de las mismas. Esto determina la llamada sustentación. 


Vista en un corte transversal, vemos como se comporta el viento que sobre ellas pasan
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Un ala —o plano aerodinamico— esta diseñada de forma que el aire fluya mas rapidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior, lo que provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo. A esteprincipio se lo conoce como Teorema de Bernoulli 
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La diferencia de presión produce la fuerza neta de sustentación
 
Que es la aerodinamica?
Es la rama de la mecanica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos. Algunos ejemplos del ambito de la aerodinamica son el movimiento de un avión a través del aire.
 
Que es la sustentación?                          


Concepto general
La fuerza del viento en el ala principal de un avión se puede pensar que esta dividida en dos partes: un componente que empuja el avión hacia arriba y un componente que empuja el avión para atras. La fuerza ascendente, la fuerza de sustentación o elevación, es lo que mantiene el avión en el aire. La fuerza lateral que disminuye la velocidad del avión es lo que se llama resistencia aerodinamica. En realidad, el piloto puede cambiar la fuerza de sustentación: necesita mucha sustentación durante el despegue (para acelerar el avión hacia arriba), y menos sustentación durante el crucero (sólo se necesita superar el peso del avión).

Antes de empezar con la causas de sustentación, es una buena idea definir algunas partes del ala
Definiciones:
borde de ataque: la parte del ala que ve primero al aire (mira hacia la dirección de movimiento)
borde de salida: el bordetrasero de un ala (o borde de fuga)
línea de cuerda: la línea uniendo el borde de ataque y el borde de salida
angulo de ataque: el angulo entre la línea de cuerda y el viento que viene de frente.

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Cuando el aire fluye sobre la superficie superior del ala del avión, necesita tomar una forma curva. Para hacer esto, la presión del aire justo arriba del ala necesita estar a una presión ligeramente menor que el aire que esta arriba, y el aire entonces es empujado a fluir alrededor de las alas. El aire en la superficie superior del avión entonces esta a una presión menor que el aire que esta por debajo - y el avión es empujado hacia arriba - lo que nosotros llamamos sustentación. Cuando la curvatura sobre la parte superior del ala se hace mas grande debido a la rotación de la nariz del avión hacia arriba, hay una presión diferencial mas grande y por lo tanto una mayor fuerza de sustentación. Sin embargo, si la curvatura se hace demasiado grande, el flujo se separa del ala y termina con una pérdida de sustentación. Con esta pérdida, hay un cambio drastico en la curvatura (el flujo practicamente no se curva para seguir al ala) y por lo tanto la sustentación es mucho menor. La pérdida de sustentación generalmente le causa al piloto perder un poco del control del avión hasta que disminuye el angulo de ataque y recupera la mayor parte de la sustentación (todos los aviones tienen sirenas quesuenan cuando las alas pierden la sustentación, lo que se denomina comúnmente 'entrar en pérdida').

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Pérdida de sustentación: un angulo de ataque demasiado alto reduce la sustentación (y la curvatura)
 
Que fuerzas actúan sobre un avión?
Rendimiento Aerodinamico: La Sustentación y La Resistencia Aerodinamica
Dos de las cuatro fuerzas en un avión

Concepto general
Un avión vuela equilibrando fuerzas. 'Vuelo uniforme' es cuando la fuerza de Empuje esta equilibrada con la fuerza de la Resistencia Aerodinamica, y la Sustentación se equilibra con el Peso. ¿Entonces cómo se mueve el avión? Fuerzas desequilibradas producen cambios en movimiento (hélices, turbinas, etc). Un objeto se puede mover con velocidad constante y todavía tener todas las fuerzas que actúan sobre él equilibradas. Para que vuele un avión, éste debe tener motores suficientemente poderosos para empujar el avión a través del aire, y haber diseñado alas que levantan y sostienen al avión en el aire. Una vez en el aire, los aviones se maniobran moviendo superficies de control que producen torques sobre el centro de masa del avión. Estos torques rodaran el avión en la dirección apropiada (ver sección 'comandos de un avión').


 
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Comandos de un avión
Desde los inicios de la aviación, el hombre siempre quiso tener el control absoluto sobre los aparatos aéreos. Hoy en día se ha conseguido que los controles ycomandos de un avión logren este objetivo. Sin embargo hay comandos basicos y que son comunes a todo avión.
 
Ejes y Comandos de un avión
Un avión tiene tres ejes principales a saber:
a) Eje vertical  
Sobre este eje gira el avión a izquierda y derecha, y el mismo es controlado por el timón de dirección. El mismo se controla con pedales ubicados debajo del panel principal.
 
b) Eje vertical
Sobre este eje gira el avión hacia arriba o hacia abajo (cabeceo). El mismo es controlado por el timón de profundidad. Esto se logra moviendo el comando del avión hacia adelante o hacia atras.
b) Eje longitudinal (o transversal
Sobre este eje gira el avión hacia mover sus alas hacia arriba o hacia abajo (alabeo). El mismo es controlado por los alerones. Esto se logra moviendo el comando del avión hacia izquierda o derecha.
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Otros comandos de un avión
Existen también otros comandos que posibilitan al piloto tener un mayor dominio de la aeronave. Estos comando suelen ser muy comunes en los aviones de hoy en día. Algunos son manuales, otros eléctricos y otros son controlados por pilotos automaticos. Los mas comunes son
Flaps:
A las alas de los aviones se le han hecho grandes innovaciones a fin de mejorar sus prestaciones. Se les han introducido partes móviles que mejoran la maniobrabilidad del avión para diferentes condiciones de vuelo. Una de estas partes son los FLAPS. Los mismosincrementan la sustentación, permitiendo reducir la velocidad de la aeronave en las maniobras de despegue y aterrizaje. En los simuladores, se pueden regular desde el reloj de flaps o desde la palanca de flaps. Es conveniente utilizarlos en pistas muy cortas y cuando se este realizando procedimientos de aterrizaje donde se necesita una velocidad menor sin que el avión baje bruscamente.
Spoilers
A continuación de los alerones estan los spoilers que aunque parecidos a los alerones operan en forma distinta desplegandose de acuerdo a la velocidad del avión, produciendo una degradación de la sustentación para asistir a los alerones. Asimismo, después del aterrizaje los spoilers se extienden totalmente sobre el ala produciendo gran resistencia al avance y al frenado aerodinamico de la aeronave, ayudando junto con el frenado de los conjuntos del tren de aterrizaje y los reversores de los motores, a una disminución de las distancias en la carrera de aterrizaje.
Instrumentos de un avión 
Dentro de la cantidad de instrumentos que podemos observar en el panel de cualquier avión, se pueden encontrar muchas clases de ellos: simples, complejos, combinados con otros, electrónicos, mecanicos, etc. Pero algunos de ellos son comunes a todas las aeronaves y son los mas elementales. En esta sección he resumido la función principal de cada uno de ellos, que son a saber:
 
1. Horizonte Artificial
2.Coordinador de Virajes (Turn and bank
3.Velocidad Vertical (Vertical Speed)
4. Brújula
5.
Giro Direccional
6.
Altímetro 
7.
Velocímetro (Air Speed)
8. Tacómetro (RPM)
       
Horizonte Artificial
El Horizonte Artificial (o attitude indicator) es un instrumento que indica al piloto si el avión se encuentra con la nariz hacia abajo o hacia arriba , también indica si se encuentra inclinado hacia la izquierda o hacia la derecha , es decir en todo momento da al piloto la posición del avión en relación al horizonte terrestre. Es un instrumento de actitud, o sea que indica la posición de dos de los tres ejes de un avión: eje horizontal (c)  y eje vertical (b).  El Horizonte artificial es un instrumento giroscópico.
 
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Coordinador de Virajes (Turn and bank
El Coordinador de Virajes es un instrumento que le indica al Piloto a que Velocidad esta realizando un viraje , por ejemplo le indica en cuanto tiempo va a realizar un viraje de 180 grados . Este instrumento ademas incluye un indicador en forma de bolita (canica) que indica si el viraje que se esta realizando es un viraje coordinado o no lo es. Es por esto que el instrumento recibe el nombre de Coordinador de Virajes.
Viraje coordinado significa que para que el avión gire hacia la derecha o izquierda, deberan rotar de forma coordinada los ejes vertical (b) y perpendicular (a), estose logra con la bolita del nivel centrada. 
En general, en los simuladores de vuelos, los virajes son coordinados.
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Velocidad Vertical (Vertical Speed)
El Indicador de Velocidad Vertical , como su nombre lo indica , da información al Piloto sobre el comportamiento vertical del avión , es decir , si este se encuentra ascendiendo o descendiendo , y si lo esta haciendo , a que velocidad lo hace. Por ejemplo, si esta en cero, el avión esta nivelado; si esta en el 2 superior, esta ascendiendo a 2000 pies por minuto, o si por el contrario esta en el 2 inferior, estara descendiendo a 2000 pies por minuto. Es un instrumento que se puede programar con el piloto automatico. Trabaja por diferencia de presión.
 
 
 
 
 
 
 
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Brújula
La Brújula es el instrumento que le permite al piloto conocer el rumbo magnético en el que el avión se encuentra volando , este instrumento viene calibrado en 360 grados. Es uno de los instrumentos mas antiguos que podemos encontrar en nuestros días , y es un instrumento que encontraremos en todos los aviones sin importar el tamaño o el tipo de estos . Trabaja mecanicamente señalando el norte magnético de la Tierra 
 
 
 
 
 
 
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Giro Direccional
El Giro Direccional es un instrumento giroscópico y es lo mismo que la brújula , solo que mas estable durante los movimientos de ascenso y descenso del avión , este instrumento tambiénle indica al Piloto el rumbo en el que el Avión se encuentra volando , hay algunos modelos de Giro Direccional que cuentan con un dispositivo adicional para ser acoplados al Piloto automatico y así indicarle a éste el rumbo que debe seguir.
 
 
 
 
 
 
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Altímetro
El Altímetro le indica al piloto la altitud a la que se encuentra volando el avión con referencia al nivel medio del mar. Trabaja por diferencia de presión barométrica, a mayor altura hay menos presión y esa diferencia hace funcionar a este instrumento. El mismo puede ser calibrado para las variaciones en la presión atmosférica. En aviación la presión barométrica se conoce como QNH y la presión estandar es de 29.92 Milibares (Mbs
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Algunas definiciones:
Altitud: Es la distancia de un objeto suspendido en el aire y el nivel medio del mar.
Altura: Es la distancia entre el nivel del terreno y un punto elevado determinado.
Elevación: Es la distancia entre el nivel del terreno y el nivel medio del mar.
 
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Velocímetro (Air Speed)
El velocímetro o indicador de velocidad , como su nombre lo indica , es el instrumento que le da al piloto la información de la velocidad a la que el avión se mueve con respecto a la masa de aire en la que se encuentra volando , vale hacer notar que la velocidad que indica este velocímetro es diferente a la velocidad con la que el avión se mueve con respecto a la tierra , ya queel aire puede estarse moviendo en el sentido que viaja el avión o en cualquier otra dirección .
Por ejemplo, si el avión se esta dirigiendo hacia el Norte (90 Grados), a una velocidad sobre tierra  (ground speed) de 150 Nudos (1 Nudo = 1 Milla Nautica/hora), y en ese momento tiene un viento de frente de 30 Nudos (viento de los 180 grados en este caso), la velocidad sobre tierra sera de 120 Nudos, pero el velocímetro marcara una velocidad sobre aire (Air Speed) de 150 Nudos. Hay que tener presente que no siempre se tiene un viento de frente o de cola, sino también vientos cruzados. La diferencia entre una velocidad y la otra se realiza haciendo calculos vectoriales.
Este instrumento trabaja por el aire que entra por un dispositivo externo que tienen todos los aviones, denominado Tubo Pitot.  (ver foto)
 
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Tacómetro (RPM
El Tacómetro es un instrumento que le permite al piloto conocer y regular con mucha precisión las revoluciones por minuto (RPM) del motor. Es un instrumento muy útil dado que generalmente va acompañado de un reloj donde marca las horas-motor, vale decir que una hora real (60 minutos) = una hora motor a x RPM, donde 'x' equivale a las RPM designadas para cada avión. Cuando el motor llega a una determinada cantidad de 'horas motor', se debe hacer una revisión de seguridad del mismo, de acuerdo a las especificaciones del fabricante de la aeronave.
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