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GUIA DE ESTUDIO: A.A. AERODINAMICA I
Cap. José Luis Puertas 2
TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE VUELO
AERODINAMICA La Aerodinámica es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos que ocurren del
desplazamiento de un cuerpo a través del aire o del aire a través del cuerpo.
IMPORTANCIA
La Importancia de la Aerodinámica, se basa en los orígenes de la aviación, desde tiempos muy
remotos, Leonardo Da Vinci, se mostró muy interesado en el vuelo de las aves y logró importantes
pasos, así como, un poco más tarde los hermanos Wright dentro de un grupo de pioneros también
mostraron su interés por el vuelo, a tal punto de que fueron los primeros en lograr (después de muchos
intentos), el primer vuelo tripulado de la historia. De esta manera nos convencemos de que todo
progreso de la aviación a estado ligado al desarrollo de la aerodinámica, así mismo, que el desarrollo de
esta ha sido impulsado por su necesidad en la aviación.
Además, la aerodinámica cobra mayor importancia, ya que no sólo es aplicada a la aviación sino a
todas las actividades que se desarrollan dentro del aire, que constituye nuestra atmósfera, y por
consiguiente la importancia de esta se extiende hasta aspectos muy diversos como los estudios de
meteorología, las condiciones de ventilación de edificios, el diseño de automóviles, trenes, barcos, etc.
PERFIL AERODINAMICO "TERMINOLOGÍA" La forma y la inclinación del perfil con respecto a la dirección de la corriente de aire, son de gran
importancia en la distribución de presiones que da origen a la sustentación. Empezaremos por definir la
terminología del perfil (fig. 3).
CUERDA: Es la línea recta que une al borde de ataque con el borde de fuga. Es una dimensión
característica del perfil.
EXTRADOS: Es la parte superior del perfil, que va desde el borde de ataque hasta el borde de fuga.
INTRADOS: Es la parte inferior del perfil y también va desde el borde de ataque hasta el borde fuga.
LINEA DE CURVATURA MEDIA: Es una línea equidistante entre el extradós y el intradós. La forma de
esta es muy importante en las características aerodinámicas del perfil, en definitiva establece la
curvatura del perfil.
BORDE DE ATAQUE: Es la parte delantera del perfil, es la primera que se enfrenta a la corriente de
aire.
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Cap. José Luis Puertas 3
RADIO DE CURVATURA DEL BORDE DE ATAQUE: Define la forma del borde de ataque y es el radio
de un círculo tangente al estrados y al intradós.
ANGULO DE ATAQUE: Es el que existe entre la cuerda y el sentido de la corriente de aire relativo.
TEOREMA DE BERNOULLI Bernoulli fue un científico, que en sus estudios de la mecánica de fluidos obtuvo interesantes resultados
de un experimento en donde este tomó un tubo de
sección variable (fig. 1), a través del cual hizo pasar un
fluido a través del mismo y observó interesantes
resultados.
El Fluido (aire), al entrar posee una velocidad y presión
V1 y P1, y en la sección más estrecha el mismo posee una velocidad y presión V2 Y P2. Es evidente que
la velocidad V2 debe ser mayor que V1 luego para que se conserve el equilibrio, la presión P2 debe ser
menor que P1 “Al aumentar la velocidad disminuye la presión", este fenómeno se conoce con el nombre
de "EFECTO VENTURI". Así mismo este fluido posee una masa como tal y ejerce una fuerza sobre la
superficie del tubo lo que da origen a las presiones que se han mencionado anteriormente.
Teniendo en cuenta lo que sucede con las presiones dentro del tubo Venturi, observamos la figura 1 y
recordamos que en la parte más estrecha del tubo o "GARGANTA DEL VENTURI" la presión es menor
que en la entrada del tubo lo que origina una diferencia de presiones y sabemos que al hacer dicha
diferencia existe un desplazamiento que va de mas o menos presión, podemos notar, que si sólo
tomamos la mitad inferior del tubo Venturi (figura 2),
con las mismas características, se genera un efecto
de depresión o "succión'" en la garganta, donde P2 es
menor que P1
Esta figura nos representa lo que en principio es un "perfil alar'", en el cual tiene origen la sustentación
por diferencial de presiones dada por la exposición de dicho perfil a una corriente de aire (fluido), caso
análogo al del tubo Venturi y el fluido en cuestión.
Cuando dicho perfil avanza a través del aire se crea una "'corriente de aire relativo'", que va a ser
nuestro fluido el cual va a tener características similares al utilizado en el Venturi, por lo que notamos
claramente que el comportamiento del perfil al ser sometido a una diferencia de presiones, es el de
desplazarse hacia la zona de menor presión por el efecto de "succión" o depresión producida en esa
zona, lo que finalmente me da origen al fenómeno de la sustentación.
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Cap. José Luis Puertas 4
Sustentación en las alas.
Antes de tratar este tema es bueno hacer la siguiente aclaración. Comúnmente se explica la
sustentación por la ley de Bernoulli, hoy
discutida, muchos sostienen que ocurren
otros efectos mucho más complejos,
siendo estos de consideración para la
ingeniería en lo que respecta al cálculo y
diseño; superan el nivel de este curso.
No obstante la Ley de Bernoulli sigue
considerándose como fundamental en la
explicación del funcionamiento de las
alas.
Podemos decir a grandes rasgos que las
alas poseen las siguientes partes:
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 dicha diferencia de
velocidad.
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 (figura A).
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 la nariz) se lograra aumentar la sustentación (Figura B).
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 límite y el ángulo de ataque puede
incrementarse mientras no se alcance el ángulo
crítico de ataque. Una vez alcanzado, el flujo
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Cap. José Luis Puertas 5
laminar sobre el ala no podrá seguir el contorno de la misma, despegándose de la superficie para
generar turbulencias; reduciéndose rápidamente la sustentación (Figura C), 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 la nariz 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.
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 la nariz de la nave.
Por ejemplo en una aproximación a baja velocidad con un ángulo cerrado la nariz 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 (Figura D). 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 son, flaps,
alerones, spoilers.
VIENTO O AIRE RELATIVO: Es la corriente de aire paralela y de sentido opuesto al del
perfil, sin importar el sentido del viento y se crea por el avance del perfil dentro de una masa de
aire.
TIPOS DE PERFILES Los perfiles aerodinámicos, según su geometría, se clasifican en distintos tipos:
CÓNCAVO-CONVEXO: Estos perfiles se caracterizan por tener el intradós cóncavo y el
extradós convexo. Son perfiles de bajo espesor y de gran sustentación usados en veleros de uso
general, en los que se busca una alta velocidad. Los perfiles cóncavo-convexos fueron
ampliamente usados en aviones de combate, sobre todo en los biplanos de la Primera Guerra
Mundial.
DOBLE CURVATURA: Denominados así porque tanto el extradós como el intradós poseen una
doble curvatura. Es decir, ambos están formados por una línea ondulada con el borde de fuga
levantado de manera que se trata de perfiles auto-estables. Debido a esta característica son
ideales para ser usados en las alas volantes (aviones sin empenaje de cola), y en los aviones
con alas en flecha.
SIMÉTRICO O BICONVEXO-SIMÉTRICO: Tanto el extradós como el intradós poseen la misma
curvatura, siendo simétricos respecto a su cuerda. Estos perfiles son utilizados preferentemente
por aviones acrobáticos para una mejor ejecución de las figuras.
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Cap. José Luis Puertas 6
SEMI-SIMÉTRICO: Quizás los perfiles más usados en aerodinámica sean los de estos tipos,
denominados así por tener una curvatura convexa en el intradós. Son utilizados en casi todo tipo
de aviones porque son de fácil construcción y pueden ejecutar cualquier figura acrobática,
aunque con ciertas limitaciones.
PLANO-CONVEXO: Denominados así por tener el extradós convexo, y el intradós plano casi en
su totalidad. Es el tipo de perfil idóneo para ser utilizado en aviones entrenadores, en los que
debe primar el vuelo lento y seguro. Entre los perfiles plano-convexos se encuentra el modelo
Clark Y. Este tipo de perfil, posee excelentes características aerodinámicas gracias a su intradós
plano y a su 12% de espesor.
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Cap. José Luis Puertas 7
TEMA 2: FUERZAS AERODINÁMICAS SOBRE UNA
SUPERFICIE SUSTENTADORA
Las resultantes de las diferentes fuerzas
que actúan sobre un avión en vuelo recto y
nivelado son:
1. Peso "W" (Weight)
2. Empuje o Tracción "T" (Trust)
3. Sustentación "L" (Lift)
4. Resistencia al avance "D" (Drag)
Sustentación (L), esta es la fuerza
aerodinámica que originada en las alas,
permite que el avión vuele, como
consecuencia de una diferencia de presiones producida sobre un perfil (teorema de Bernoulli), esta es
perpendicular a la corriente de aire relativo.
El Peso (W) del avión se refiere a su peso total. Es la fuerza activa a la que está sujeto un cuerpo,
debido a la atracción gravitacional terrestre. El peso siempre está en sentido hacia el centro de la tierra.
Debido al gran radio de la esfera terrestre, el peso de un cuerpo se considera vertical para cualquier
plano que se encuentra sobre la superficie terrestre. (El peso de un cuerpo se encuentra siempre
concentrado en un punto o centro el cual es denominado CENTRO DE GRAVEDAD, C.G.
Resistencia (D), es producida como consecuencia del avance del avión dentro del aire, y repercute
directamente en la fuerza resultante aerodinámica, esta es de sentido opuesto a la tracción.
Tracción (T), es la fuerza necesaria sobre el avión para que pueda desplazarse dentro del aire,
venciendo la resistencia al avance la velocidad requerida.) La fuerza de tracción ó propulsión es
obtenida por la energía proporcionada por una planta propulsora que puede ser, principalmente:
a.- Un motor de émbolo (pistón) y una hélice.
b.- Un Turborreactor y una hélice (turbohélice).
C.- Un turborreactor.
En los tres casos, la tracción se produce por la aceleración de una masa de aire para producir una
fuerza, F = m .a, pero de diferente manera, por ejemplo: El motor a pistón utiliza la energía producida
para mover una hélice ó propela que va a ser el elemento propulsor, desplazando una masa de aire de
adelante hacia atrás, como si la hélice se atornillara en el aire. Igual ocurre con los turbohélices, pero
con la diferencia de que lo que mueve a la hélice es un turborreactor a través de un eje. Mientras que en
los turborreactores, se utiliza el flujo o chorro de aire que es producido por estos, que es acelerado por
una tobera de escape, que va a ser el elemento propulsor, en vez de una hélice.
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TEMA 3: FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN AVIÓN
EJES DE VUELO. En todas las aeronaves encontraremos tres ejes que se cortan en el centro de gravedad, sobre los
cuales ella rotara, ellos son, eje longitudinal, eje transversal y eje vertical
Eje longitudinal: sobre este eje la nave
rotara por acción de los alerones
ubicados en los extremos de las alas. Un
ala se elevará mientras lo otra
descenderá, este movimiento se lo
conoce como alabeo.
Eje Transversal: sobre este eje se
produce el cabeceo del avión, por acción
del timón de profundidad elevara o bajara
la nariz o nariz de la nave.
Eje vertical: El movimiento sobre este
eje es controlado por el timón de
dirección y provoca la rotación de la nave
a derecha o izquierda sobre el plano
horizontal, a este movimiento se lo llama
guiñada.
Más adelante se detallara como se controlan los movimientos sobre estos ejes y que superficies
intervienen en los mismos.
El movimiento alrededor del eje longitudinal, se denomina alabeo o “'roll", el movimiento alrededor del
eje lateral, se denomina cabeceo o "pitch", y alrededor del eje vertical, se denomina guiñada o "yaw"
(Figura 10).
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TEMA 4: SUPERFICIES DE CONTROL Cada parte tiene su función específica, pero nos referiremos a los controles de vuelo, ya que estos son
los que permiten al piloto conseguir el equilibrio del avión obtiene una condición de vuelo determinada o
efectúa una maniobra, se suelen dividir en primarios y secundarios.
SUPERFICIES DE CONTROL.
Cada movimiento del avión es
provocado y controlado por una
superficie específica. Otras
superficies están destinadas a
mejorar el rendimiento en
determinadas circunstancias.
Las superficies de control están
distribuidas en dos zonas del
avión, las alas y la cola de la
nave.
Sobre las alas se sitúan
dispositivos encargados de
mejorar el rendimiento bajo
determinadas circunstancias.
Mientras que en la cola se
sitúan dos superficies
horizontales, llamadas en su
conjunto como estabilizador
horizontal o plano horizontal de cola y una vertical llamado deriva o estabilizador vertical, a este grupo
en su conjunto se lo denomina empenaje de cola.
En general sobre las alas encontraremos instalados los alerones, los spoilers y el conjunto
hipersustentador compuesto por flaps y slats, aunque no todas las maquinas tienen este último
elemento (slats).
El empenaje de cola, como se dijo, esta constituido
por el estabilizador horizontal y la deriva, en estas
superficies se encuentran montador los timones de
dirección y profundidad.
De acuerdo al porte del avión cambian los sistemas
de accionamiento, los mas grandes y mas veloces
por lo general el accionamiento es hidráulico,
mientras que en los pequeños o lentos es mecánico
por cables de acero.
Estas ubicaciones y funciones no necesariamente
son iguales en todos los aparatos, existen otras
configuraciones en las que un mismo plano realiza
funciones de otro, o formas distintas en el empenaje
de cola por Ej. en forma de V.
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Cap. José Luis Puertas 10
Digamos que las superficies se dividen en dos grupos, el principal esta formado por los alerones, timón
de profundidad y timón de dirección.
Este grupo controla los movimientos del avión sobre los tres ejes (longitudinal, transversal y vertical)
durante el vuelo normal, se los maneja con los pedales y el bastón de mando (especie de volante, que
además de rotar se desplaza hacia delante y hacia atrás) o joystick.
El resto de las superficies, forman el grupo secundario y no funcionan permanentemente durante el
vuelo, solo se las utiliza o en el despegue o en el aterrizaje. Su finalidad es la de mejorar las
condiciones de sustentación a bajas velocidades.
Estas superficies no pueden desplegarse indiscriminadamente, tienen velocidades límites, por encima
de estas pueden sufrir daños.
Superficies de las alas.
En cada semi-ala se encuentran montadas diversas
superficies encargadas de producir algún efecto
determinado sobre el vuelo de la nave.
Existen variaciones de estos elementos o de sus
ubicaciones, que dependen de cada fabricante,
incluso existen distas formas de alas que se diseñan
de acuerdo con las funciones del avión, pero todas
funcionan de la misma manera.
Generalmente en el ala se encuentran montadas las
siguientes superficies:
1º ALERONES,
2º SPOILERS
3º FLAPS
4º SLATS
EMPENAJE DE COLA.
En la cola del avión se encuentran montadas una
serie de superficies destinadas a mejorar la
estabilidad y controlar el movimiento del aparato.
Fijado en el fuselaje veremos un plano montado en
forma vertical, llamado estabilizador vertical o
deriva. Abisagrado a el se encuentra una superficie
móvil, el timón de dirección; encargado de controlar
la guiñada.
Algunas veces montados en el extremo superior de
la deriva, otras a cada lado del fuselaje (depende
del fabricante del avión) se encuentran los planos
horizontales de cola o estabilizador horizontal. En
su borde de fuga se encuentra una superficie móvil cuyo movimiento controla y maneja el cabeceo de la
nave, llamado timón de profundidad.
Estas no son las únicas configuraciones posibles, existen otras, incluso con funciones combinadas.
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Cap. José Luis Puertas 11
ALERONES. Forman parte de las superficies de control principales, ubicadas a los
extremos de cada semi-ala, provocan y controlan el alabeo o
balanceo del avión.
Manejados por el volantín de mando, cada alerón se desplaza en
forma opuesta al otro, es decir; si el volantín de mando se lleva hacia
la izquierda, el alerón de la semi-ala izquierda se inclinara hacia
arriba mientras que el derecho lo hará hacia abajo. De esta forma en
el lado izquierdo habrá una disminución en la sustentación mientras
que en la derecha habrá un incremento de la misma, como resultado el avión se ladeará hacia el
costado izquierdo, rotando sobre su eje longitudinal. Lo mismo aunque en lados opuestos ocurre si se
gira el volantín de mando a la derecha.
Mientras los alerones se encuentren desplazados el avión
seguirá rotando, es necesario centrar el volantín de
mando para que deje de hacerlo, las fuerzas
aerodinámicas harán que la nave vuelva a la posición
horizontal aunque demorara un tiempo en hacerlo.
Para mantener el ladeo es necesario hacer pequeñas
correcciones permanentemente.
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Cap. José Luis Puertas 12
ESTABILIZADOR VERTICAL Y TIMÓN DE DIRECCIÓN. Como se dijo, en el empenaje de cola se encuentra una superficie montada verticalmente conocida
como estabilizador vertical o deriva. Abisagrada a esta y actuando como borde de fuga se encuentra
una superficie móvil denominada timón de dirección.
El timón de dirección controla la guiñada de la nave, es decir, su rotación por el eje vertical.
Comandado por la pedalera del avión, el timón girará a
derecha o a izquierda; en otras palabras, si se pisa el
pedal izquierdo, el timón de dirección girará hacia la
izquierda, esto provocara una fuerza aerodinámica
sobre la deriva en sentido opuesto es decir hacia la
derecha, como consecuencia la cola se desplazara en
sentido de la fuerza girando el avión por su eje vertical
(la nariz girará hacia la izquierda, en este ejemplo), de
esta forma el avión esta guiñando a la izquierda (babor,
empecemos a hablar correctamente che). En cambio
se pisa el pedal derecho guiñará a la derecha (¡¡¡
estribor!!!).
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Cap. José Luis Puertas 13
ESTABILIZADOR HORIZONTAL Y TIMÓN DE PROFUNDIDAD. A fin de obtener las fuerzas necesarias para compensar los desplazamientos del centro de gravedad y
su relación con la distribución de pesos, se monta en la cola una superficie horizontal, similar a un ala
aunque más pequeña, formando el plano horizontal de
cola o estabilizador horizontal.
Por lo general en los aviones comunes se lo encuentra
sujeto al fuselaje o bien en el extremo superior de la
deriva.
Articulado al estabilizador y haciendo también las
veces de borde de fuga se encuentra el timón de
profundidad o timón de altura, es una superficie móvil
incluida en el estabilizador que comandada por el
bastón de mando ("cuerno" en buen criollo) se
desplaza hacia arriba o hacia abajo provocando y
controlando el cabeceo del aparato (rotación por el eje
transversal).
El bastón de mando o cuerno tiene aparte de la
posibilidad de girar la capacidad de desplazarse
longitudinalmente hacia el panel de instrumentos o
hacia el piloto. si se tira de el (hacia el piloto) el timón
de profundidad se elevara, por fuerzas aerodinámicas la cola se vera obligada a bajar, rotando la nave
por su eje transversal elevara la proa. Por el contrario, si se empuja el cuerno, el timón de profundidad
bajará, elevando la cola y bajando la nariz.
En algunos aviones militares como el F14 "TOMCAT", el timón de profundidad y el estabilizador
horizontal forman una sola pieza móvil, es decir es el estabilizador completo el que gira hacia arriba o
hacia abajo, cumpliendo así la función de timón. En otros casos, por lo general con una configuración de
alas del tipo Delta como el "CONCORDE", verán que no esta ni el estabilizador ni el timón asociado, en
estos casos son los alerones los que cumplen con esta función además de la que le es propia.
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Cap. José Luis Puertas 14
COMPENSADORES "TABS" Sobre las superficies de control de vuelo, se produce un momento, debido a, las fuerzas que allí se
originan por la incidencia de la comente de aire dicha superficies.
Este momento representa un esfuerzo que tiene que realizar el piloto para mover las superficies de
control a través de los elementos de control de vuelo (columna de control, pedales, etc.).
Existen dispositivos que ayudan a reducir este momento y por tanto las fuerzas que el piloto debe
ejercer, entre ellos están los "tabs". (Los "tabs" son unos pequeños taps auxiliares situados al final de la
superficie de control,', cuyo movimiento puede estar ligado de diferentes modos a éste.
El principio general de su funcionamiento es el siguiente: Si se deflecta el tab, por el medio que fuere
(figura 16), hacia abajo, la succión producida por la distribución de presiones, da lugar a un momento de
magnitud considerable, por lo que éste tiende a mover la superficie hacia arriba. De este modo el
esfuerzo en la palanca para mover la superficie hacia arriba viene ayudado por el "tab". Como se ve la
deflexión del tab va siempre en sentido contrario a la de la superficie de control.
Otra utilidad importancia de los estabilizadores, es que se utilizan como mecanismo auxiliar de control
de vuelo, llamados tabs de compensación o "trim tab" el cual permite realizar pequeños ajustes de
actitud de vuelo, sin actuar directamente sobre las superficies de control. Este ajuste se realiza de una
manera separada y diferente desde la cabina con un control independiente y se puede ajustar para toda
la gama de velocidades. Estos dispositivos tienen su mayor aplicación en los mandos de control de
guiñada para corregir asimetrías en la estructura o efectos que origina el soplado de las hélices o
reactores, aunque son muy utilizados en los elevadores para corregir o procesar regímenes de ascenso
o descenso y/o simplemente para mantener el avión en actitud de vuelo recto y nivelado.
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Cap. José Luis Puertas 15
TEMA 5: SUPERFICIES DE CONTROL
FLAPS Los flaps tienen como fin cambiar la superficie y la curvatura
alar aumentando así la sustentación a baja velocidad. Son
superficies secundarias puesto que ellos no sirven para realizar
maniobras, solo incrementan la sustentación.
Se despliegan por detrás y por debajo del borde de fuga
aumentando la sustentación y la resistencia, vale aclarar que no
son frenos y solamente se los despliega cuando se tiene una
velocidad inferior a la operativa de los mismos, en caso
contrario podrían sufrir daños.
La velocidad operativa de los flaps pude variar con las características de cada avión, es bueno consultar
el manual, en algunos casos esta indicada en el panel de instrumentos otras esta marcada por la parte
superior del arco blanco del velocímetro.
Se extienden en incrementos secuenciales, medidos en grados, por lo general la escala va de 0º
(totalmente retraídos) a 40º (totalmente extendidos) en incrementos de 5 o 10º, aunque no es raro que
en la primera parte de la escala los incrementos sean menores.
Como se dijo los flaps aumentan la sustentación y la resistencia, normalmente entre 0º y 20º crece en
mayor medida la sustentación y menos la resistencia, mientras que por sobre los 20º el incremento es
mayor en lo que a la resistencia se refiere. Por esto en los despegues suelen desplegarse entre 5º y
15º, lo que permite disminuir la distancia de despegue, para retraerlos al alcanzar la altitud de
seguridad.
Al extender o retraer los flaps debe tenerse en cuenta el cambio en la actitud (cabeceo), ya que habrá
una tendencia a subir o bajar la proa respectivamente, es decir, al extenderlos el avión levantara la nariz
debiéndose compensar empujando el bastón de mandos para mantener el horizonte y luego después
accionar el mando de centrado para disminuir la presión, al retraerlos el caso es el opuesto.
Existen varios tipos de flaps:
Flaps simples: montados sobre bisagras, el borde de fuga simplemente pivota hacia abajo, son los
más comunes en aviones pequeños.
Flaps de intradós: cuelgan en el borde de fuga, pero la superficie superior no varia.
Flaps ranurados: Funcionan igual que los simples, pero tienen una ranura entre el ala y el flap,
permitiendo que pase el aire del intradós a la superficie superior del flap; logrando un incremento
importante en la sustentación, especialmente a bajas velocidades.
Flap de extensión o Fowler: Son los mas complejos y eficaces, generalmente usados en reactores
comerciales. Se desplazan hacia atrás y hacia abajo aumentando la superficie y la curvatura alar, en
vuelo crucero están completamente plegados y ocultos en el ala.
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Cap. José Luis Puertas 16
SLATS O HIPERSUSTENTADORES DE BORDE DE ATAQUE. Los slats son sistemas de extensión que recorren toda la
longitud del borde de ataque de cada semi-ala.
Funcionan en conjunto con los flaps y utilizan su mismo
principio. Se extienden hacia delante y hacia abajo,
aumentando la superficie y la curvatura alar, aunque en menor
medida que los flaps.
Desde luego los slats se encuentran replegados cuando los
flaps también lo están. Podemos considerar que los flaps y los
slats forman un solo conjunto (hipersustentador). En los aviones reales no siempre es así, existen casos
en que se desplazan solos al volar a baja velocidad. Puede que algunos aviones pequeños posean el
sistema de slats.
SPOILERS O AIRBRAKES Su ubican en el extradós a continuación de los alerones, parecidos a estos tienen una función distinta.
De acuerdo a las velocidades, se despliegan sobre el ala, rompiendo el flujo laminar de aire,
produciendo una disminución en la sustentación y un aumento en la resistencia inducida provocando un
incremento en el índice de descenso y una disminución en la velocidad horizontal, asistiendo
a los alerones.
En el aterrizaje, después de tocar tierra, se despliegan
por completo, aumentando la resistencia al avance,
actuando como freno aerodinámico, que en conjunto
con los frenos y reversibles disminuyen la distancia de
frenado.
Los controles secundarios son: los spoilers, las ranuras de borde de ataque "Slats", los flaps, el
estabilizador horizontal (en muchos casos es ajustable para efectos de compensación longitudinal)
Los controles de vuelo, son operados bien sea a través de energía hidráulica, eléctrica o mecánica. En
los grandes aviones comerciales se utilizan por lo menos dos sistemas paralelos, con el fin de
garantizar la operación del avión y hacerla más segura.
PARTES DEL ALA
Winglet (1): su misión es reducir la Resistencia inducida del ala ya que evita la conexión entre
intradós y extradós. La distribución de sustentación a lo largo del ala no es uniforme y se
produce un fenómeno de barrido hacía la punta del ala, esto provoca la formación de los
torbellinos de punta de ala, lo que al final es que el aire da energía cinética al aire gastando
energía en este proceso. Los winglets o aletas reducen este fenómeno, pero en contra generan
un elevado momento de flexión en el encastre del ala.
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Cap. José Luis Puertas 17
Alerones: se encargar de controlar el
movimiento del avión de balance, con la
deflexión de manera asimétrica (un alerón
hacia arriba y otro hacia abajo) se
consigue que el avión gire sobre su eje
longitudinal. De esta forma el avión puede
hace giros laterales.
o Alerón de baja velocidad (2):
usado para realizar giros con el
avión a bajo Mach
o Alerón de alta velocidad (3): usado
para realizar giros con el avión a
Mach de crucero.
Dispositivos hipersustentadores: son
usados durante el despegue o el
aterrizaje. La misión de estos elementos
es aumentar la superficie de ala o el
coeficiente de sustentación del ala, de esta forma se incrementa la fuerza total de sustentación
pudiendo aterrizar a una menor velocidad. La deflexión de estos dispositivos incrementa la
resistencia del avión.
o Flap (Aleta) (4): es un dispositivo hipersustentador pasivo.
o Krüger flaps (5): es un dispositivo hipersustentador pasivo complejo.
o Slats (6)
o Flap (7) de 3 series interior
o Flap (8) de 3 series exterior
Spoilers (9): son unos elementos usados para destruir la sustentación del ala. Son usados
durante el aterrizaje, una vez que el avión toca suelo con las ruedas de despliegan estos
dispositivos que evita que el avión vuelva al aire de nuevo, a su vez también son usados en caso
de descompresión en cabina, al romper la sustentación el avión baja rápidamente a un nivel de
vuelo donde la presión sea la adecuada. Son también llamados aerofrenos
Spoilers-Frenos (10) de aire
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Cap. José Luis Puertas 18
TEMA 6: PÉRDIDAS Y BARRENAS
ENTRADA EN PÉRDIDA
Diagrama que muestra el flujo de aire en vuelo normal y en entrada en
perdida.
La entrada en pérdida (stall en inglés) es un fenómeno aerodinámico que
consiste en la disminución más o menos súbita de la fuerza normal que
produce la corriente incidente sobre cualquier perfil aerodinámico. Se
produce cuando la proporción del contorno del perfil donde la capa límite
está desprendida se vuelve significativamente amplia, debido a que la
presión del aire es notablemente menor cuando la capa límite está
desprendida que cuando está adherida a la superficie.
En particular se emplea el término aplicado a un avión cuando su ala entra en pérdida. Si esto sucede
en servicio el piloto debe recuperar la sustentación perdida y por tanto el control del avión haciendo que
éste pique (es decir, haciendo que el nariz baje respecto de la cola).
CAUSAS
Alrededor de un perfil aerodinámico, en la parte superior (extradós) el aire se acelera (y baja su presión)
para al final del perfil adaptarse la presión exterior (en el borde de salida), por lo tanto el aire se
desplaza por la parte superior con un gradiente de presiones adverso. A medida que aumenta el ángulo
de ataque este gradiente es mayor.
Por lo tanto, la causa más común que produce la entrada en pérdida de un perfil es el aumento del
ángulo de ataque de la corriente incidente, ya que al incrementarse el mismo la parte del contorno del
perfil donde la corriente está desprendida se ensancha. Al aumentar el ángulo de ataque
progresivamente se llega a obtener una fuerza normal máxima a partir de la cual ésta comienza a
disminuir. Esta disminución puede ser más o menos brusca en función del diseño del perfil
aerodinámico. En un avión en vuelo lo anterior puede suceder por disminuir la velocidad excesivamente,
por debajo de la velocidad de pérdida.
Otras causas que pueden producir la pérdida son la interacción con
estelas provenientes de otras superficies aerodinámicas, el efecto de
turbulencias atmosféricas, efectos aerodinámicos no estacionarios,
efectos tridimensionales debidos a la forma del ala, etc.
BARRENA
Avión realizando acrobacias.
Los términos «entrar en barrena» o «caída en barrena» se utilizan en el
ámbito de la aviación para referirse al descenso vertical y brusco de un
avión rotando sobre su eje longitudinal. Puede tratarse de una maniobra
peligrosa ejecutada deliberadamente por el piloto para generar
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Cap. José Luis Puertas 19
espectáculo o puede ser consecuencia de un accidente, como por ejemplo, un fallo en los motores que
provoque un descenso brusco de la velocidad. La rotación se produce por la diferencia en la fuerza que
ejerce el aire en cada una de las alas del avión y, de no corregirse a tiempo, el aparato puede acabar
estrellándose.
Este tipo de maniobra es habitual en desfiles militares y demostraciones de vuelo, a pesar de que se
considera peligrosa e incluso un piloto experimentado puede perder el control del aparato.
RECUPERACIÓN DE UNA ENTRADA EN PÉRDIDA Solamente existe un método para recuperarse de la entrada en pérdida: reducir el ángulo de ataque.
Presione la palanca hacia delante para reducir el ángulo destaque y aumente la potencia para minimizar
la pérdida de altitud.
Cuando el CG se mueve hacia atrás (Hacia la cola) el avión tiene un cabeceo menos estable. Si el CG
está muy atrás, podría ser imposible bajar la nariz para recuperarse de una entrada en pérdida.
Si el CG se adelanta demasiado, la nariz se vuelve "Pesada" y resulta difícil, o incluso imposible,
enderezar el avión durante la fase final de aterrizaje.
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Cap. José Luis Puertas 20
TEMA 7: ESTABILIDAD Y CONTROL
EQUILIBRIO DE LOS CUERPOS
Definición matemática: El centro de gravedad de un cuerpo es el punto de aplicación de la resultante
de todas las acciones de gravedad sobre las moléculas del cuerpo.
El punto G de aplicación de la resultante g se llama baricentro del cuerpo dado.
Equilibrio.- El equilibrio es el estado de reposo de un cuerpo. Un cuerpo está en equilibrio cuando en
su centro de gravedad está aplicada una fuerza igual y opuesta a su peso.
Un cuerpo puede estar en equilibrio de dos modos: 1°, si está suspendido 2°, si descansa en una base.
Condición de equilibrio de un cuerpo suspendido, móvil alrededor de un punto fijo.- Para que un
cuerpo móvil alrededor de un punto fijo esté en equilibrio, es menester que la vertical que pasa por el
centro de gravedad pase también por el punto de suspensión. Con esta condición, el equilibrio puede
ser: estable, inestable o indiferente.
El equilibrio es estable si el cuerpo, siendo apartado de su posición de equilibrio, vuelve al
puesto que antes tenía, por efecto de la gravedad. En este caso el centro de gravedad está debajo del
punto de suspensión.
Ejemplo: El péndulo, la plomada, una campana colgada.
El equilibrio es inestable si el cuerpo, siendo apartado de su posición de equilibrio, se aleja por
efecto de la gravedad. En este caso el centro de gravedad está más arriba del punto o eje de
suspensión.
Ejemplo: Un bastón sobre su punta.
El equilibrio es indiferente si el cuerpo siendo movido, queda en equilibrio en cualquier
posición. En este caso el centro de gravedad coincide con el punto de suspensión.
Ejemplo: Una rueda en su eje.
Equilibrio Estable Equilibrio inestable Equilibrio Indiferente
Cuando el cuerpo se aleja de su posición de equilibrio, el peso P puede
descomponerse en dos fuerzas rectangulares; una anulada por la resistencia
de uno de los ejes, y la otra imprime al cuerpo un movimiento de rotación,
que lo lleva a la posición de equilibrio estable o lo aleja de ella.
Condición de equilibrio de un cuerpo que descansa sobre un plano.-
Para que un cuerpo que descansa sobre un plano esté en equilibrio es
preciso que la vertical del centro de gravedad pase por el interior de la base
de sustentación. Se llama base de sustentación la superficie de apoyo del
cuerpo o también el polígono que se forma al unir los diversos puntos de
apoyo, cuando son varios (una silla, por ejemplo).
Un cuerpo colocado en un plano horizontal, puede presentar, como el
caso precedente, tres clases de equilibrio:
1° El equilibrio será estable, si el centro de gravedad está más bajo que
cualquiera otra posición. Ejemplo: Una pirámide que descansa sobre su
base. Fig. a
2° Se hallará en Equilibrio indiferente, si su centro de gravedad no sube ni
baja las posiciones que pueda tomar. Ejemplo: una esfera perfecta y
homogénea. Fig. b
3° El equilibrio será inestable, si el centro de gravedad se halla más alto que cualquiera otra posición.
Ejemplo: una pirámide regular cuyo vértice descansa sobre su plano. Fig. c
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Cap. José Luis Puertas 21
ESTABILIDAD
Se considera estabilidad, como la propiedad que posee un cuerpo de regresar a su estado original,
después de haber sido perturbado. La estabilidad puede ser estática o dinámica.
ESTABILIDAD ESTATICA.
La estabilidad estática de un cuerpo es la tendencia inicial para volver a una determinada posición de
equilibrio, después de haber experimentado una perturbación que le haya alejado de dicha posición.
La estabilidad estática de un cuerpo cualquiera, en nuestro caso un avión puede ser: positivo o estable,
negativa o inestable e indiferente o neutra, según que al desplazarse el cuerpo de su posición de
equilibrio tienda inicialmente a la posición primitiva, tienda a alejarse de esa posición o permanezca en
la nueva posición sin alejarse ni retornar a la posición inicial (ver figura).
ESTABILIDAD ESTATICA
Conviene insistir en que para definir la estabilidad estática, lo que interesa es la tendencia a recuperar la
posición inicial, sin importar el tipo de movimiento que sigue a esa tendencia inicial.
ESTABILIDAD DINÁMIICA La estabilidad dinámica trata de la forma en que se mueve
el cuerpo conforme transcurre el tiempo, después de haber
sido sometido a una perturbación. La estabilidad dinámica
interesa solamente a cuerpos que sean estáticamente
estables, ya que un cuerpo estáticamente inestable tendería
a alejarse cada vez más de su posición inicial.
La estabilidad dinámica puede ser de tres tipos: Estabilidad
dinámica positiva, si el cuerpo retorna a su posición de
equilibrio de forma periódica y por medio de una serie de
oscilaciones amortiguadas. Estabilidad dinámica indiferente
o neutra, si siempre tiende a su posición de equilibrio, pero
10 hace a través de oscilaciones indefinidas y no
amortiguadas. Estabilidad dinámica negativa, si el cuerpo
tiene oscilaciones cada vez de mayor amplitud (figura 12).
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Cap. José Luis Puertas 22
Estabilidad de vuelo.
Básicamente la estabilidad nos da una idea de cómo se comportará un cuerpo al ser afectado por una
fuerza.
De acuerdo a este comportamiento podemos tratarlas como; estabilidad positiva, cuando tiende a
retomar un vuelo estable tras el cambio de una fuerza. Si en cambio tras la acción de una fuerza el
aparato adopta una nueva posición y se mantiene en ella, su estabilidad es neutra. En cambio si se
desvía de su posición original el vuelo será inestable o de estabilidad negativa.
En general todas las aeronaves se las diseña para tener estabilidad positiva, la excepción son los cazas
militares de ultima generación, con tecnología FLY BY WIRE (vuelo por cables), a estos se los diseña
inestables a fin de no poder anticipar el comportamiento en combate aéreo. En este caso la estabilidad
esta dada por las computadoras de abordo, las que responden a las órdenes del piloto pero controlan y
estabilizan la nave tras las maniobras.
La estabilidad también se la puede tratar como estática y dinámica, la primera es la tendencia a volver a
la posición inicial y la segunda a la amortiguación de las oscilaciones.
Como se trató anteriormente, la posición del centro de gravedad es vital para la estabilidad en lo que al
control de cabeceo se refiere. Si el centro de gravedad se desplaza hacia atrás el avión tiende a elevar
la nariz, si el desplazamiento es excesivo será imposible controlarlo. Por el contrario si se desplaza
hacia delante en forma excesiva se pondrá pesado y la nariz bajara dificultándose el enderezamiento.
Se deberá distribuir los pesos de tal forma que los límites para el desplazamiento del centro de
gravedad no se superen.
Para asegurar la estabilidad a los aviones además de las alas se les instala un conjunto de alas mas
pequeñas en la cola (empenaje de cola) formada por un plano vertical o estabilizador vertical y el plano
horizontal o estabilizador horizontal.
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Cap. José Luis Puertas 23
Las alas funcionan correctamente cuando vuelan en forma uniforme y en línea recta (recto y nivelado),
para lograr esto el centro de sustentación (punto en el cual se considera se aplica la fuerza de
sustentación) debe ubicarse detrás del centro de gravedad, aquí ocurre un efecto de veleta, por el cual
las alas tienden a ubicarse ambas frente al viento provocando la rotación del avión sobre su eje vertical
(guiñada), para controlar esto, en el empenaje de cola se instala un plano vertical conocido como deriva
o estabilizador vertical.
La sustentación, al actuar detrás del centro de gravedad provocará la rotación sobre el eje transversal,
elevando la cola y bajando la nariz (cabeceo) para compensar esto se instalan dos planos horizontales
en la cola (estabilizador horizontal) encargados de obtener la fuerza para compensar el cabeceo.
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Cap. José Luis Puertas 24
TEMA 8: APLICACIÓN DE LOS PRINCIPIOS DEL PERFIL
AERODINÁMICO A LAS HÉLICES
FUERZA CENTRÍPETA Se llama fuerza centrípeta a la fuerza que tira de un objeto hacia el centro de un camino circular
mientras que el objeto sigue dicha trayectoria a una rapidez constante, siendo la rapidez la magnitud de
la velocidad.
El término «centrípeta» proviene de las palabras latinas centrum, «centro» y petere, «dirigirse hacia», y
puede ser derivada a partir de las leyes descubiertas por Isaac Newton. La fuerza centrípeta siempre
actúa en forma perpendicular a la dirección de movimiento del cuerpo sobre el cual se aplica. En el caso
de un objeto que se mueve en trayectoria circular con rapidez cambiante, la fuerza neta sobre el cuerpo
puede ser descompuesta en un componente perpendicular que cambia la dirección del movimiento y
uno tangencial, paralelo a la velocidad.
La fuerza centrípeta no debe ser confundida con la fuerza centrífuga, tal como se explica en la sección
Malentendidos Comunes.
FUERZA CENTRÍFUGA Fuerza centrífuga es la que tiende a alejar los objetos del centro de rotación mediante la velocidad
tangencial, perpendicular al radio, en un movimiento circular.
La fuerza centrífuga es una de las fuerzas ficticias que parecen actuar sobre un objeto cuando
su movimiento se describe según un sistema de referencia en rotación.
La fuerza centrífuga es producto de la reacción ejercida por un objeto que describe un recorrido
circular sobre el objeto que causa ese movimiento curvo, según la tercera Ley de Newton. En
realidad es sólo el efecto de la inercia en un movimiento circular, no es causada por la
interacción de otro cuerpo físico.
La fuerza centrífuga surge cuando analizamos el movimiento de un objeto desde un sistema de
referencia no inercial, o acelerado, que describe un movimiento circular uniforme.
La fuerza centrífuga será el producto de la masa por la aceleración centrífuga, en un sistema de referencia no inercial.
TORQUE O MOMENTO DE FUERZA: Es una magnitud vectorial cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos, pueden alterar su movimiento
lineal o su rotación.
El efecto de una fuerza dado sobre el movimiento de rotación de un cuerpo depende del valor de la
fuerza, de la distancia del punto de aplicación de la fuerza al eje de giro y de la dirección de la fuerza
con respecto a la línea que une el punto de aplicación de esta con el eje de giro generalmente se
considera un torque positivo cuando tiende a producir rotación en sentido contrario a las manecillas del
reloj y negativo en sentido de las manecillas del reloj.
UNIDADES DE TORQUE
S.I: Como el torque es el producto de una fuerza por una distancia su unidad de medida será:
T= f . d =1Newton . 1metro =N . m
C.G.S: El torque estará dado por: T= f . d = 1 DINA . 1 centímetro = d.cm
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Cap. José Luis Puertas 25
Propulsores.
Un avión para volar necesita una fuerza de empuje para vencer la resistencia del aire.
Este empuje es obtenido a través de sus motores, y de las características del mismo variaran las
capacidades de la nave. Por ejemplo, de la potencia "extra" del motor dependerá la capacidad de
ascenso. Explicándolo mejor diremos que, de la totalidad de la potencia de el motor, solo se emplea una
parte para mantener el avión en vuelo nivelado a una velocidad determinada; si se desea iniciar un
ascenso y no perder velocidad, se empleara el resto de potencia para lograrlo, cuanto mas potencia
este disponible mayor puede ser la tasa de ascenso.
Esto es muy importante tenerlo en cuenta cuando se vuelan pequeños bimotores, pues en caso de
plantarse uno de ellos, el restante utilizara casi la totalidad de su potencia para mantener el vuelo
nivelado, haciendo imposible un ascenso, en algunos casos a duras penas se lo lograra nivelar.
Se ven dos grandes grupos de naves según la clase de propulsión que utilizan, las de hélices y los
reactores.
Las naves equipadas con hélices utilizan dos clases de motores a pistón y turbohélices. El primero de
los motores de los más antiguos y utilizados.
Según con los tiempos en que realiza un ciclo completo se clasifican en dos y cuatro tiempos y por el
tipo de ciclo en OTTO (gasolina) y DIESEL (gasoil).
Los utilizados en aeronáutica casi con exclusividad son ciclo Otto de cuatro tiempos.
Los segundos constan de una pequeña turbina, encargada de mantener girando el eje principal
asociado a la hélice.
Los reactores, no poseen hélices, en cambio la propulsión la consiguen por el principio de acción y
reacción, es decir impulsan gases a alta presión y velocidad en un sentido, reaccionando con una fuerza
igual pero de sentido contrario que empuja el dispositivo y lo que este asociado a el. Estos dispositivos
son conocidos como turbinas y según su funcionamiento se clasifican en turborreactores,
estatorreactores, turbofán, etc.
Esta es una breve explicación sobre los tipos de motores utilizados en aeronáutica, a continuación mas
detalles de cada uno de ellos, su utilización, control, funcionamiento, etc. (video)
HÉLICES
La propulsión en las aeronaves se puede lograr por la utilización de dos métodos diferentes, una turbina
que empuja al avión o por hélices. Estas últimas generan propulsión en los aviones, mientras que en el
helicóptero proporcionan además sustentación y control de
actitud, ladeo y guiñada.
Están formadas por aspas o palas unidas en el centro, en
aeronáutica se utilizan desde dos hasta no mas de cuatro
aspas. Independientemente de su cantidad, podemos
clasificarlas en dos grupos, de paso constante y de paso
variable o mas conocidas como de velocidad constante.
Para explicar que es el paso imaginemos que una hélice
es como un tornillo con la capacidad de "enroscarse" en un
fluido, en este caso el aire.
El paso define cuanto avanza un tornillo por cada vuelta
completa y este valor es la distancia que existe entre dos
filetes de rosca consecutivos (fig. 1). Se lo indica en
milímetros paras roscas métricas o en cantidad de filetes por pulgada para roscas Whitworth.
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Cap. José Luis Puertas 26
Si se rectificara una vuelta del tornillo, es decir que se
cortara la superficie y se la aplanara, se tendría un
triángulo (fig. 2), en donde el ángulo formado por su lado
de base y la hipotenusa determina el paso, cuanto mayor
sea este ángulo mayor será el avance representado por el
cateto opuesto. Lo mismo rige para las hélices.
Para ser exactos el funcionamiento de una hélice dista
mucho de ser el de un tornillo. Por el perfil de las aspas
veremos que es muy similar al de un ala y se aplican los
mismos principios que para esta (Bernoulli), sugiero ante
dudas repasar el tema.
Al girar, en las aspas aparecerá una diferencia de presión
que como en un ala se traduce en una fuerza con una magnitud y un sentido determinado.
Entre la dirección de giro y la cuerda del aspa se forma un ángulo (ángulo de ataque), que determina
cuanto va a avanzar la hélice, es decir el paso. A mayor ángulo, mayor paso, mayor avance y viceversa
(fig. 3).
Las hélices generan fuerzas y depende de si giran en un plano
vertical u horizontal proveerán tracción como en un avión o
sustentación como en los helicópteros.
En general las aeronaves equipadas con motores de más de 180
CV están equipadas con hélices de paso variable, mientras que
para los menores suelen utilizarse paso fijo. De tener paso
variable o fijo dependerá el manejo del acelerador del motor,
puesto que en las primeras el paso es controlado y regulado por
el piloto y esto será importante a la hora de acelerar o
desacelerar el motor para ascender o descender, siempre y
cuando no se quiera sufrir daños en la nave.
Ante un fallo en vuelo por el cual deba pararse un motor, en el
caso de aviones multimotores, para disminuir la fricción algunas hélices pueden tener la capacidad de
ponerse "en bandera", esto es con la cuerda de las aspas perpendiculares a la dirección de giro.
Por ultimo digamos que, existen severas limitaciones aerodinámicas y físicas tanto para la cantidad de
palas (no mas de cuatro) como para su velocidad de giro que no supera las 3000rpm.aunque alguna
vez hubo algún desarrollo especial que superaba esos problemas.
TERMODINÁMICA, LEY DE LOS GASES PERFECTOS Y TRANSFORMACIONES.
Es costumbre explicar el funcionamiento de los motores desde un punto de vista mecánico, empero en
realidad los motores son máquinas térmicas y su estudio y cálculo se hace desde un punto de vista
termodinámico, mientras que el análisis mecánico hace a las características constructivas.
La termodinámica es una especialidad de la física que como su nombre lo indica, estudia la dinámica
del calor y principalmente la reacción de los gases ante cambios determinados de este. No es una
ciencia muy difundida entre el común de la gente (no relacionada con carreras técnicas industriales)
siendo en ese aspecto mas conocida la mecánica y también de mas fácil interpretación.
A pesar de no ser tan difundida, resulta vital, pues como toda ley física, rige para todo el universo y de
hecho el universo se rige por estas leyes, como ejemplo digamos que la atmósfera terrestre esta
constituida por gases el que esta sometido a intercambio de calor y variaciones de presión, lo que le va
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Cap. José Luis Puertas 27
a producir cambios, estos cambios siguen formulaciones y leyes termodinámicas, para no hablar del
calor y su comportamiento, presente en todo el universo.
Uno de los avances más importantes en la termodinámica se dio en el siglo XVII momento en que el
físico ingles Boyle y el francés Mariotte, tras experimentar con los gases llegan simultáneamente a
determinar lo que se conocería como la ley fundamental de los gases perfectos y dice:
A temperatura constante el volumen de una masa de gas esta en relación inversa a la presión a que se
encuentra sometida.
En otras palabras es, si la temperatura es constante, a mayor presión menor volumen y viceversa,
Donde P es la presión, V el volumen por mol, T la temperatura absoluta, R la constante de los gases
perfectos, d la densidad.
En base a esto pueden establecerse las siguientes leyes:
A presión constante, el volumen de un gas es proporcional a la temperatura y la densidad será inversa
del volumen y de la temperatura.
A volumen constante, la presión es directamente proporcional a la temperatura y la densidad inversa.
A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión y la densidad
directamente proporcional.
A partir de aquí se siguieron estudios e investigaciones para determinar como variaban los gases tras
cambios de temperatura, presión, volumen, o varios de ellos simultáneamente dando origen a las
transformaciones térmicas, que podemos resumirlas en:
Si en un recipiente cerrado tenemos un gas que bien puede ser aire a determinada presión y lo
calentamos, si no se permite que varíe su volumen, se verá un incremento en la presión del mismo, esta
es una transformación a volumen constante. Por otra parte si se realiza lo mismo pero se mantiene
constante su presión, el incremento será de volumen (transformación a presión constante). ---si se
permiten variaciones de presión y volumen según ciertos parámetros, se tendrá una transformación
adiabática.
Si se tiene un cilindro conteniendo un gas, tapado con un pistón capaz de desplazarse hacia arriba y
hacia abajo dentro del mismo, construidos con materiales que no permitan la transferencia de calor, es
decir que no es posible que se conceda o se absorba calor a través de sus paredes, y empieza a
desplazarse el pistón de modo que comprima el gas, este reducirá su volumen, como es obvio se
elevara la presión y además se calentará. Por el contrario si se expande el gas aumentará su volumen,
disminuirá su presión y se enfriará.
Si en ningún momento se produjo transferencia de calor, es decir que el gas en el cilindro ni absorbió, ni
concedió calor se tendrá una transformación adiabática.
En otras palabras, las transformaciones que impliquen variaciones de volumen y presión si producirse
un intercambio de calor son transformaciones adiabáticas.
Estas son transformaciones puras en condiciones ideales, en la realidad existen pérdidas, por ende,
estas transformaciones no ocurren de esta forma exacta, mezclándose entre si, dando lugar a las
politrópicas.
En lo que respecta al cálculo y estimaciones de estas transformaciones, matemáticamente hablando,
todas parten de las ecuaciones propuestas en la ley de gases perfectos, de allí su importancia.
No proseguiremos mas con esta especialidad, pues no es objetivo de este curso explicar esta ciencia,
que además es extensa, compleja y requiere una serie de conocimientos previos para poder entenderla.
Esta breve explicación es un comentario para incentivar y orientar al alumno en la investigación y no
quedarse con la explicación clásica acostumbrada y en general con errores de concepto.
![Aerodinamica%20 general%201[1]](https://static.fdocuments.ec/doc/165x107/559133f51a28abcb628b471b/aerodinamica20-general2011.jpg)
