Aerodinamica basica

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  • 1. MÓDULO 2: LA AERONAVE UNIDAD 1: AERODINÁMICA BÁSICA
  • 2. Unidad 1. Aerodinámica Básica ÍNDICE 1. Introducción ...................................................................... Pág. 3 2. Principios de vuelo............................................................ Pág. 5 3. Alas y perfiles .................................................................... Pág. 6 4. Fuerzas que actúan sobre un avión ................................ Pág. 8 5. Interacción de fuerzas....................................................... Pág. 11 6. Viento relativo y ángulo de ataque.................................. Pág. 12 7. Densidad del aire ............................................................... Pág. 13 8. Entradas en pérdida .......................................................... Pág. 16 9. Factor de carga .................................................................. Pág. 18 2
  • 3. Unidad 1. Aerodinámica Básica 1. INTRODUCCIÓN Fuerzas sobre aeronave Las fuerzas a que está sometida una aeronave en vuelo son: Aerodinámicas Fuerzas Aerodinámicas : Sustentación (L) Resistencia (D) Propulsivas Fuerzas Propulsivas : Gravitatorias Fuerzas Gravitatorias : Peso (W) Empuje (T) Estas fuerzas básicas actúan a lo largo de todo el vuelo. Las distintas fases del vuelo: Despegue, ascenso, vuelo crucero, viraje, descenso y aterrizaje, son el resultado de la generación y modificación de estas fuerzas. Conocer la aerodinámica básica permite al controlador evaluar las tareas que el piloto debe realizar para conseguir hacer despegar a una aeronave, mantenerla en vuelo y aterrizarla. 3
  • 4. Unidad 1. Aerodinámica Básica 1. INTRODUCCIÓN Propósito Objetivos En esta unidad vamos a desarrollar los principios básicos de la aerodinámica, que estudia el origen y aplicación de las fuerzas aerodinámicas L y D sobre una aeronave. Asimismo, el alumno conocerá la entrada en pérdida. Al finalizar esta unidad, el alumno deberá ser capaz de comprender: Los principios del vuelo. Las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo. Los peligros que originan una errónea aplicación de dichas fuerzas. Síntesis En esta unidad se tratarán los siguientes conceptos : Principios de vuelo. Alas y perfiles Fuerzas sobre la aeronave. Interacción de fuerzas Viento relativo y ángulo de ataque. Densidad del aire. (Altitud/densidad) Entradas en pérdida Factor de carga. 4
  • 5. Unidad 1. Aerodinámica Básica 2. PRINCIPIOS DE VUELO Principio de Bernouilli; Tubo Venturi Establece que si, a través de un tubo Venturi, una corriente de aire o fluido en movimiento aumenta la velocidad, la presión disminuye. El principio de Bernouilli aplicado a una aeronave significa que, al encontrar una corriente de aire un perfil de ala, el aire aumenta su velocidad sobre la superficie exterior del ala (extradós) disminuyendo su presión. Sin embargo, el aire disminuye su velocidad sobre la superficie inferior del ala (intradós) aumentando su presión. Esta diferencia de presiones origina la sustentación. El principio de Bernouilli se visualiza en el siguiente gráfico: Incremento de la velocidad y disminución de la presión 5
  • 6. Unidad 1. Aerodinámica Básica 3. ALAS Y PERFILES Ala de un avión - Perfil del ala Un ala es una superficie diseñada para producir sustentación cuando el aire se mueve a través de ella. Un perfil del ala es la superficie que aparece al seccionar perpendicularmente a un ala a) Perfil simétrico: Ambos intradós y extradós son iguales y simétricos y, por tanto, su curvatura media es nula. b) Perfil asimétrico: Su intradós y extradós son distintos y, por tanto, su curvatura media no es una recta si no una curva. c) Curvatura media: Es la línea equidistante entre el extradós y el intradós. 6
  • 7. Unidad 1. Aerodinámica Básica 3. ALAS Y PERFILES Vamos a ver el principio de Bernouilli aplicado a un perfil del ala. El aire a través del extradós del ala, desde el borde de ataque al borde de salida, llega al mismo tiempo que el aire a través del intradós. La mayor velocidad sobre el extradós produce una depresión en el mismo. La menor velocidad sobre el intradós produce una sobrepresión en el mismo. Esta diferencia de presión entre extradós e intradós produce la fuerza aerodinámica que dará lugar a la sustentación. 7
  • 8. Unidad 1. Aerodinámica Básica 4. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN AVIÓN Fuerza FUERZA Es toda causa que modifica el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. La siguiente figura muestra las fuerzas sobre un avión en vuelo. Sustentación Es la fuerza aerodinámica producida por una aeronave moviéndose a través del aire y que es perpendicular a la trayectoria de la aeronave. Resistencia Es la fuerza aerodinámica producida por una aeronave moviéndose a través del aire y que es paralela a la trayectoria de la aeronave y en sentido opuesto. Peso Es la fuerza producida por la atracción gravitatoria de la tierra. Su dirección y sentido es vertical hacia el centro de la tierra. Empuje Es la fuerza proporcionada por la planta de potencia de la aeronave (motores a reacción o hélice) y que desplaza el avión hacia adelante a través del aire. 8
  • 9. Unidad 1. Aerodinámica Básica 4. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN AVIÓN Vamos a analizar brevemente cada fuerza por separado. SUSTENTACIÓN Y RESISTENCIA Como se ha dicho, estas fuerzas son aerodinámicas y son originadas por el movimiento de una aeronave en el aire, o al revés, del movimiento del aire alrededor de una aeronave. Todo cuerpo en presencia de una corriente de aire genera una fuerza aerodinámica. La fuerza aerodinámica es la presión estática neta resultante multiplicada por el área del cuerpo. (Recordar Bernouilli) El siguiente gráfico ilustra lo anterior para el caso específico de un ala de avión. Sustentación Fuerza Aerodinamica ALA Resistencia La sustentación es la componente de la fuerza aerodinámica FA perpendicular al viento relativo o trayectoria y contrarresta el peso de la aeronave. La resistencia es la componente paralela a la trayectoria y que se opone al movimiento. 9
  • 10. Unidad 1. Aerodinámica Básica 4. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN AVIÓN PESO Esta fuerza es debida a la gravedad o atracción de la tierra sobre la masa de un cuerpo. El peso es pues una fuerza (no aerodinámica) variable con la posición del cuerpo en el espacio y según varíe la masa del cuerpo. En el caso de la aviación comercial y de transporte, sólo se considera la variación del peso de la aeronave en función del consumo de combustible. La atracción de la gravedad se supone constante. EMPUJE El empuje es una fuerza (propulsiva) debida a la planta de potencia. El empuje se obtiene por la 3ª ley de Newton que establece que a toda fuerza activa se opone otra fuerza reactiva igual y opuesta, y por la 2ª ley, que establece que una fuerza que actúa sobre una masa la acelera en la dirección de la fuerza. La fuerza de los motores de aviación es proporcionada por la expansión de los gases que se queman en el motor y la masa es la masa de aire que pasa a través del motor reactor o de la hélice. La aceleración es la variación de la velocidad del aire. 10
  • 11. Unidad 1. Aerodinámica Básica 5. INTERACCIÓN DE FUERZAS Vamos a ver a continuación la interacción de estas fuerzas, pues las características de vuelo del avión dependen de estas interacciones. Para comprender la interacción entre las fuerzas y su influencia en las características del vuelo debemos recordar la 1ª y 2ª leyes de Newton. Si las fuerzas L, W, T y D se encuentran en equilibrio el avión mantiene una velocidad uniforme y un nivel de vuelo uniforme. Si alguna de ellas varía, las características del vuelo cambian. - Cuando el empuje T excede a la resistencia, la velocidad de la aeronave aumentará y el avión acelerará horizontalmente, siempre que la sustentación y el peso estén equilibrados. - Cuando la resistencia excede al empuje, el avión decelerará horizontalmente, siempre que el peso y la sustentación estén equilibrados. - Cuando la sustentación excede al peso el avión subirá. - Cuando el peso excede a la sustentación el avión descenderá. 11
  • 12. Unidad 1. Aerodinámica Básica 6. VIENTO RELATIVO Y ÁNGULO DE ATAQUE Cuerda Borde de ataque Trayectoria aeronave Angulo de ataque Borde de salida Viento Relativo Viento relativo El viento relativo es la dirección del flujo de aire que le llega a un perfil del ala debido al movimiento de la aeronave. Su dirección es siempre paralela a la trayectoria de la aeronave y en sentido opuesto. Cuerda Línea de la cuerda (o cuerda) es una línea recta imaginaria que une el borde ataque con el borde de salida de un perfil o sección transversal del ala. Ángulo de ataque Ángulo de ataque es el ángulo agudo comprendido entre la dirección del viento relativo incidente y la cuerda del perfil. VR Vuelo Ascendente Vuelo Nivelado VR = Angulo de Subida = A. O. A. = A. O. A. El gráfico muestra como a diferentes condiciones de vuelo (vuelo velado y subido) el ángulo de ataque puede ser el mismo y no debe confundirse con el ángulo de subida. 12
  • 13. Unidad 1. Aerodinámica Básica 7. DENSIDAD DEL AIRE Presión, temperatura y densidad Las propiedades más importantes del aire que afectan al comportamiento aerodinámico son la presión, temperatura y densidad. El siguiente gráfico representa la variación de estas propiedades con la altura en la atmósfera estándar definida por OACI. Como dato representativo a 18.000 pies de altura, la presión es la mitad que al nivel del mar y a 22.000 pies la densidad es la mitad. Se observa que al ascender 1.000 pies, la temperatura disminuye unos 2º C, permaneciendo constante a partir de los 36.000 pies con un valor de -56, 5ºC. Ver Tabla (I.S.A) - Pág. 19 Densidad La densidad del aire es la propiedad más importante para la aerodinámica y se la define como la masa del aire por unidad de volumen. Se representa por la letra . Las fuerzas aerodinámicas que se originan sobre el avión, sustentación y resistencia, dependen del valor de la densidad del aire. El aire se puede considerar como un gas perfecto y, por la ley universal de los gases, se deduce que su densidad es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. 13
  • 14. Unidad 1. Aerodinámica Básica 7. DENSIDAD DEL AIRE Altitud Densidad La altitud densidad es aquella que correspondería en la ISA a una determinada densidad del aire. La densidad del aire decrece cuando la temperatura, altitud y humedad aumentan. Cuando la densidad del aire decrece (altitud densidad alta) las actuaciones de la aeronave disminuyen. Cuando la densidad del aire crece (altitud densidad baja) las actuaciones de la aeronave aumentan. La altitud densidad es el factor más importante que afecta a las actuaciones de la aeronave, pues está relacionada con: La potencia del motor. (Empuje) La capacidad de sustentación. Una combinación de alta temperatura, alta altitud y alta humedad hacen crítica la maniobra de despegue. 14
  • 15. Unidad 1. Aerodinámica Básica 7. DENSIDAD DEL AIRE La velocidad del aire es un parámetro decisivo para obtener sustentación en un ala. Un incremento en la velocidad produce un incremento en la sustentación. Recordando el principio de Bernouilli a más velocidad en extradós => menor presión => mayor sustentación. A mayor velocidad => mayor diferencia de presiones entre extradós e intradós => mayor sustentación. Cae fuera del alcance de este curso la obtención de la fórmula de la sustentación como fuerza aerodinámica, pero al objeto de simplificar, y de tener una idea conceptual del efecto de los parámetros vistos hasta ahora v, se indica: L= sustentación = K v 2 K = cte. v =velocidad Cuanto mayores sean v, = densidad = ángulo de ataque , el avión consigue mayor sustentación. A una misma velocidad y ángulo de ataque, la sustentación es mayor al nivel del mar que en altitud. Para una misma sustentación y nivel de vuelo ( ) cuanto menor sea la velocidad mayor ángulo de ataque se necesita. 15
  • 16. Unidad 1. Aerodinámica Básica 8. ENTRADAS EN PÉRDIDA Pérdida de sustentación El mayor peligro, y a la vez la causa más común de accidente de una aeronave, es la pérdida de sustentación. La pérdida de sustentación se produce cuando el ala no proporciona la suficiente sustentación para seguir manteniendo el avión en vuelo. La pérdida de sustentación se produce siempre al sobrepasar el ángulo de ataque crítico. La entrada en pérdida de una aeronave puede producirse a cualquier altitud y en cualquier situación. La pérdida se produce porque, al sobrepasar el ángulo de ataque crítico, la corriente de aire sobre el extradós del ala no fluye de forma continua, produciéndose torbellinos, y la corriente no queda adherida al ala. Esto produce una pérdida repentina de sustentación y un aumento de resistencia. Si el ángulo de ataque aumenta mucho (por encima del ángulo crítico) o la velocidad disminuye por debajo de la velocidad de pérdida, el avión entra en pérdida. Sin embargo, el piloto aterriza la aeronave dejándola entrar en pérdida a muy poca altura sobre la pista. NOTA: El alumno debe recordar en todo momento que, velocidad de vuelo y ángulo de ataque, son dos magnitudes variables, íntimamente relacionadas e inversamente proporcionales. - A mayor velocidad => menor ángulo de ataque - A menor velocidad => mayor ángulo de ataque 16
  • 17. Unidad 1. Aerodinámica Básica 8. ENTRADAS EN PÉRDIDA Por tanto: Si la velocidad de vuelo de la aeronave es pequeña, el ángulo de ataque necesario debe ser tan grade que sobrepasa el ángulo de ataque crítico y el avión entrará en pérdida. Las maniobras bruscas o repentinas pueden producir cambios en el ángulo de ataque. Así un cambio de dirección puede producir incrementos de sustentación que, al requerir un ángulo tan grande, provocará la entrada en pérdida. Las situaciones más susceptibles de entrada en pérdida son: Durante el despegue. Durante la aproximación final. A bajas velocidades. En virajes. En turbulencia. El ángulo de entrada en pérdida es constante y no depende de la actitud del avión ni del peso. Así, para un ala dada, es decir un avión dado (p. ej. B-727), si no se cambia la curvatura del ala el ángulo de ataque crítico es fijo. La velocidad de pérdida no es constante y depende del peso o de la altura. A mayor peso la velocidad de pérdida aumenta y a mayor altura también. Para conseguir sustentación suficiente a velocidades bajas, o en actitudes que implicarían sobrepasar el ángulo de ataque crítico, se emplean dispositivos que modifican la curvatura (Flaps) con lo que se consigue mayor sustentación para el mismo ángulo de ataque. 17
  • 18. Unidad 1. Aerodinámica Básica 9. FACTOR DE CARGA Factor de carga El factor de carga se define como la relación entre la sustentación y el peso. La siguiente figura muestra las fuerzas que actúan sobre un avión en un viraje coordinado y a altura constante. En vuelo horizontal la sustentación equilibra el peso y se opone a éste. En viraje, la componente vertical de la sustentación es la que equilibra el peso. Por tanto, para hacer un viraje manteniendo la altura, la sustentación total deberá aumentar hasta que la componente efectiva iguale al peso. Sustentación Sustentación efectiva Angulo de inclinación Peso 18
  • 19. Unidad 1. Aerodinámica Básica 9. FACTOR DE CARGA © Este documento es propiedad de Aena - SENASA 19