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Aerodinamica 1.1 tdc

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Clase 1 de Aerodinamica para TDC

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  • Hola me parece muy completa tu presentación, seria posible una copia de este material, de antemano muchas gracias y mi correo es: yousefh@prodigy.net.mx
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Aerodinamica 1.1 tdc

  1. 1. CAP. ALLEM CASAS BRACHO
  2. 2. INTRODUCCIÓN La Aerodinámica: Es una rama especial de la física que estudia los fenómenos originados por el desplazamiento de un cuerpo a través del aire y viceversa. Tiene que ver además con la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. IMPORTANCIA DEL CONOCIMIENTO DE LA AERODINÁMICA ENTENDER, ANALIZAR Y PREDECIR
  3. 3. COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA % (en vol) Nitrógeno 78.084 Oxígeno 20.946 Argón 0.934 CO2 0.033 Los gases fundamentales que forman la atmósfera son: LA ATMÓSFERA LA DIFERENCIA DE DENSIDAD DE LOS GASES HACE QUE EL OXÍGENO SE DECANTE POR DEBAJO DE LOS 35000 PIES EN PROMEDIO.
  4. 4. LA ATMÓSFERA AIRE MASA PESO FORMA INDETERMINADA CARENCIA DE UNA FUERTE COHESIÓN MOLECULAR PRESIÓN TEMPERATURA DENSIDAD PROPIEDADES LAS PROPIEDADES DEL AIRE ESTAN INTIMAMENTE LIGADAS Y NOS SIRVEN PARA PODER EXPLICAR COMO VUELA UNA AERONAVE.
  5. 5. LA ATMÓSFERA Las leyes físicas de los gases • Ley de BOYLE: Dice que a temperatura constante el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión. Esto quiere decir que cuando la presión aumenta el volumen disminuye y cuando la presión disminuye el volumen aumenta.  Ley de CHARLES: dice que el volumen de una masa a presión constante varía con la temperatura.
  6. 6. LA ATMÓSFERA PRESIÓN ATMOSFERICA PRESIÓN ATMOSFERICA ES LA FUERZA EJERCIDA POR LA ATMÓSFERA POR UNIDAD DE SUPERFICIE. SE DEFINE COMO PRESIÓN A LA CANTIDAD DE FUERZA APLICADA POR UNIDAD DE SUPERFICIE. LA PRESIÓN ATMOSFERICA VARIA INVERSAMENTE PROPORCIONAL CON LA ALTURA A RAZÓN DE UNA PULGADA POR CADA 1000 PIES. PRECISAMENTE POR LO ANTERIOR, A MAYOR ALTURA LA DENSIDAD DEL AIRE DISMINUYE Y POR LO TANTO LA RESISTENCIA AL AVANCE TAMBIEN.
  7. 7. LA TEMPERATURA DEPENDERÁ DE VARIOS FACTORES COMO LA CERCANÍA AL ECUADOR O A LOS CUERPOS DE AGUA DE LA TIERRA Y POR SUPUESTO LA ALTURA. LA TEMPERATURA VARÍA CON RELACIÓN A LA ALTURA EN 1,98 GRADOS CENT. POR CADA 1.000 PIES HASTA ALCANZAR APROXIMADAMENTE LOS 36.000 PIES. LA ATMÓSFERA
  8. 8. LA ATMÓSFERA La atmósfera tipo o atmósfera estándar, conocidas como atmósfera ISA (International Standard Atmosphere), es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias, cuyas constantes más importantes son: Unos valores en superficie al nivel del mar de: - Temperatura: 15ºC (59ºF). - Presión: 760 mm o 29,92" de columna de mercurio, equivalentes a 1013,25 mb por cm². - Densidad: 1,325 kg. por m³. - Aceleración debido a la gravedad: 9,8 ms/segundo². - Velocidad del sonido: 340,29 ms/segundo. - Un gradiente térmico de 1,98ºC por cada 1000 pies o 6,5ºC por cada 1000 mts. - Un descenso de presión de 1" por cada 1000 pies, o 1 mb por cada 9 metros, o 110 mb por cada 1000 mts.
  9. 9. LA ATMÓSFERA De todos los valores anteriores, los más familiares son: a nivel del mar una temperatura de 15ºC y una presión de 1013 mb. o 29.92", y una disminución de 2ºC de temperatura y 1" de presión por cada 1000 pies de altura.
  10. 10. En aeronáutica se denomina perfil alar, perfil aerodinámico o simplemente perfil, a la forma plana que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a su alrededor una distribución de presiones que genere sustentación. FUERZAS AERODINÁMICAS
  11. 11. Borde de ataque: parte delantera del perfil en donde incide la corriente. Borde de salida: parte posterior del perfil por donde sale la corriente. FUERZAS AERODINÁMICAS
  12. 12. Extradós: zona superior del perfil entre el borde de ataque y el de salida. Intradós: zona inferior del perfil entre el borde de ataque y el de salida. FUERZAS AERODINÁMICAS
  13. 13. Cuerda: segmento imaginario que une el borde de ataque con el borde de fuga. El ángulo que formará la recta que contiene a la cuerda con la dirección de la corriente fluida, definen convencionalmente el ángulo de ataque. FUERZAS AERODINÁMICAS
  14. 14. Extradós: parte del contorno del perfil sobre la cuerda. Intradós: parte del contorno del perfil bajo la cuerda. Espesor: distancia entre el intradós y el extradós, medida sobre la perpendicular a la cuerda en cada punto de ésta. Espesor relativo: relación entre el espesor y la cuerda del perfil. FUERZAS AERODINÁMICAS
  15. 15. Según la forma: Asimétricos (con curvatura) Simétricos FUERZAS AERODINÁMICAS
  16. 16. Según la orientación del diseño hacia un rango de velocidades de operación: Subsónicos Transónicos Supersónicos FUERZAS AERODINÁMICAS
  17. 17. La sustentación es la fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través un fluido, de dirección perpendicular a la de la velocidad de la corriente incidente. Como con otras fuerzas aerodinámicas, en la práctica se utilizan coeficientes adimensionales que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para producir sustentación y se usan para facilitar los cálculos y los diseños. FUERZAS AERODINÁMICAS
  18. 18. El modelo matemático de la fuerza de sustentación es: donde: •L es la fuerza de sustentación en N. •ρ es la densidad del fluido, en kg/m3. •V es la velocidad, en m/s. •A es el área de referencia del cuerpo, en m2. •CL es el coeficiente de sustentación. Como el resto de coeficientes aerodinámicos, es adimensional. Este coeficiente se halla experimentalmente de acuerdo a:
  19. 19. Relación de cómo aumenta el índice de sustentación con relación al ángulo de ataque. La Sustentación creada por el ala esta en función: 1) El coeficiente aerodinámico (forma del perfil) 2) La superficie alar. 3) La densidad del aire. 4) Velocidad del viento relativo. 5) El Angulo de Ataque.
  20. 20. Teorema de Bernoulli En 1738 El físico suizo Daniel Bernoulli, descubrió que en un fluido ideal se podía establecer una relación muy simple entre la energía potencial y la energía cinética. La energía potencial esta representada por la presión, y la energía cinética por el producto de la densidad del fluido por el cuadrado de la velocidad. Bernoilli descubrió que en una línea de corriente, la suma de estas dos energías es una cantidad constante.
  21. 21. La compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros. COMPRESIBILIDAD
  22. 22. En mecánica de fluidos se considera típicamente que los fluidos encajan dentro de dos categorías que en general requieren un tratamiento diferente: los fluidos compresibles y los fluidos incompresibles. Que un tipo de fluido pueda ser considerado compresible o incompresible no depende sólo de su naturaleza o estructura interna sino también de las condiciones mecánicas sobre el mismo. Así, a temperaturas y presiones ordinarias, los líquidos pueden ser considerados sin problemas como fluidos incompresibles, aunque bajo condiciones extremas de presión muestran una compresibilidad estrictamente diferente de cero. En cambio los gases debido a su baja densidad aún a presiones moderadas pueden comportarse como fluidos compresibles, aunque en ciertas aplicaciones pueden ser tratados con suficientes aproximación como fluidos incompresibles. Por estas razones, técnicamente más que hablar de fluidos compresibles e incompresibles se prefiere hablar de los modelos de flujo adecuados para describir un fluido en unas determinadas condiciones de trabajo y por eso más propiamente se habla de flujo compresible y flujo incompresible Los sólidos a nivel molecular son muy difíciles de comprimir, ya que las moléculas que tienen los sólidos son muy pegadas y existe poco espacio libre entre ellas como para acercarlas sin que aparezcan fuerzas de repulsión fuertes. Esta situación contrasta con la de los gases los cuales tienen sus moléculas separadas y que en general son altamente compresibles bajo condiciones de presión y temperatura normales. Los líquidos bajo condiciones de temperatura y presión normales son también bastante difíciles de comprimir aunque presenta una pequeña compresibilidad mayor que la de los sólidos. COMPRESIBILIDAD
  23. 23. En termodinámica se define la compresibilidad de un sistema hidrostático como el cambio relativo de volumen frente a una variación de la presión. En principio la magnitud de la compresibilidad depende de las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la compresión o descompresión del sistema, por lo que a menos que se especifique el modo en que se lleva a cabo esa operación la compresibilidad de un valor u otro según las cantidades de calor intercambiandas con el exterior. Debido a esa dependencia de la compresibilidad de las condiciones se distingue entre la compresibilidad isoterma y la compresibilidad adiabática. COMPRESIBILIDAD TERMODINAMICA COMPRESIBILIDAD
  24. 24. Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema termodinámico cuando se somete a una transforamción cuasiestática de presión mientras su temperatura se mantiene constante y uniforme, viene dada por: En un proceso de variación de presión a temperatura constante, el cuerpo habrá intercambiado una cierta cantidad de calor con el exterior por lo que su energía total, que puede obtenerse como suma del trabajo realizado sobre el cuerpo y del calor intercambiado por el mismo no permanecerá constante. COMPRESIBILIDAD ISOTERMA COMPRESIBILIDAD
  25. 25. COMPRESIBILIDAD ADIABATICA Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema termodinámico cuando se somete a una transformación cuasiestática de presión en condiciones de aislamiento término perfecto, viene dada por: En un proceso adiabático de variación de presión, el cuerpo experimentará algún cambio de temperatura. COMPRESIBILIDAD
  26. 26. La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo MECANICA DE LOS FLUIDOS La hipótesis del medio continuo es la hipótesis fundamental de la mecánica de fluidos y en general de toda la mecánica de medios continuos. En esta hipótesis se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que las propiedades del fluido (densidad, temperatura, etc.) son funciones continuas. HIPOTESIS DEL MEDIO CONTINUO La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen. Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, el material en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el comportamiento de la materia. Ejemplos de situaciones donde la hipótesis del medio continuo no es válida pueden encontrarse en el estudio de los plasmas. COMPRESIBILIDAD
  27. 27. PARTICULA FLUIDA Este concepto esta muy ligado al del medio continuo y es sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se llama partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña como para poder considerar que en su interior no hay variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades. Es importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad macroscópica del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas moléculas. Así pues un determinado punto del espacio en distintos instantes de tiempo estará ocupado por distintas partículas fluidas. COMPRESIBILIDAD
  28. 28. Los fenómenos de compresibilidad sólo se presentan a altas velocidades (del orden de 0,85 mach). A estas velocidades, y dado que el perfil está diseñado para acelerar las partículas de aire sobre el extradós, en algunos puntos del mismo estas partículas alcanzarán la velocidad de Mach 1 sin que el avión la haya alcanzado. A esta velocidad supersónica se producen fenómenos de compresibilidad que pueden provocar el desprendimiento de la capa límite, con la consiguiente pérdida de sustentación. COMPRESIBILIDAD
  29. 29. http://kimerius-wing.blogspot.com/2009/06/compresibilidad.html COMPRESIBILIDAD
  30. 30. Fuerzas que actúan en vuelo Sustentación: Es la fuerza generada por un perfil aerodinámico moviéndose en el aire, ejercida de abajo arriba, y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Se suele representar con la letra: L del inglés Lift = Sustentación. De todas las fuerzas que actúan sobre un aeroplano en vuelo, las básicas y principales porque afectan a todas las maniobras son cuatro: sustentación, peso, empuje y resistencia. Estas cuatro fuerzas actúan en pares; la sustentación es opuesta al peso, y el empuje o tracción a la resistencia.
  31. 31. Resistencia La resistencia es la fuerza que impide o retarda el movimiento de un aeroplano. La resistencia actúa de forma paralela y en la misma dirección que el viento relativo, aunque también podríamos afirmar que la resistencia es paralela y de dirección opuesta a la trayectoria. Desde un punto de vista aerodinámico, cuando un ala se desplaza a través del aire hay dos tipos de resistencia: (a) resistencia debida a la fricción del aire sobre la superficie del ala, y (b) resistencia por la presión del propio aire oponiéndose al movimiento de un objeto en su seno.La resistencia por fricción es proporcional a la viscosidad, que en el aire es muy baja, de manera que la mayoría de las veces esta resistencia es pequeña comparada con la producida por la presión, mientras que la resistencia debida a la presión depende de la densidad de la masa de aire. Ambas resistencias crean una fuerza proporcional al área sobre la que actúan y al cuadrado de la velocidad. Una parte de la resistencia por presión que produce un ala depende de la cantidad de sustentación producida; a esta parte se le denomina resistencia inducida, denominándose resistencia parásita a la suma del resto de resistencias. La fórmula de la resistencia (en ingles "drag") tiene la misma forma que la de la sustentación: D=CD*q*S donde CD es el coeficiente de resistencia, dependiente del tipo de perfil y del ángulo de ataque; q la presión aerodinámica (1/2dv² siendo d la densidad y v la velocidad del viento relativo) y S la superficie alar.
  32. 32. Resistencia Inducida Este efecto es más acusado en el extremo del ala, pues el aire que fluye por debajo encuentra una vía de escape hacia arriba donde hay menor presión, pero la mayor velocidad del aire fluyendo por arriba deflecta esa corriente hacia abajo produciéndose resistencia adicional. Este movimiento de remolino crea vórtices que absorben energía del avión. Resistencia inducida. La resistencia inducida, indeseada pero inevitable, es un producto de la sustentación, y se incrementa en proporción directa al incremento del ángulo de ataque. Al encontrarse en la parte posterior del ala la corriente de aire que fluye por arriba con la que fluye por debajo, la mayor velocidad de la primera deflecta hacia abajo a la segunda haciendo variar ligeramente el viento relativo, y este efecto crea una resistencia. se deduce claramente que la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta el ángulo de ataque. Pero si para mantener la misma sustentación ponemos más velocidad y menos ángulo de ataque, la resistencia inducida será menor, de lo cual deducimos que la resistencia inducida disminuye con el aumento de velocidad.
  33. 33. Efecto de Vortice de Ala De la explicación dada se deduce claramente que la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta el ángulo de ataque. Pero si para mantener la misma sustentación ponemos más velocidad y menos ángulo de ataque, la resistencia inducida será menor, de lo cual deducimos que la resistencia inducida disminuye con el aumento de velocidad.
  34. 34. Resistencia En la resistencia inducida también tiene influencia la forma de las alas; un ala alargada y estrecha tiene menos resistencia inducida que un ala corta y ancha. Resistencia parásita. Es la producida por las demás resistencias no relacionadas con la sustentación, como son: resistencia al avance de las partes del avión que sobresalen (fuselaje, tren de aterrizaje no retráctil, antenas de radio, etc.); entorpecimiento del flujo del aire en alas sucias por impacto de insectos o con formación de hielo; rozamiento o fricción superficial con el aire; interferencia del flujo de aire a lo largo del fuselaje con el flujo de las alas; el flujo de aire canalizado al compartimiento del motor para refrigerarlo (que puede suponer en algunos aeroplanos cerca del 30% de la resistencia total); etc... También, la superficie total del ala y la forma de esta afecta a la resistencia parásita; un ala más alargada presenta mayor superficie al viento, y por ello mayor resistencia parásita, que un ala más corta. Lógicamente, cuanto mayor sea la velocidad mayor será el efecto de la resistencia parásita: la resistencia parásita aumenta con la velocidad.
  35. 35. Empuje o Tracción Empuje es la fuerza actuando hacia delante la cual se opone a la resistencia y empuja el avión. En la mayoría de los aviones de la aviación general esta fuerza se obtiene cuando el motor hace girar la propela. El mismo principio físico envuelto en la generación de sustentación también se aplica cuando describimos la fuerza de empuje..Como se ha explicado La segunda ley de Newton establece que una fuerza (F) actuando sobre una masa (m) Acelerará (a) la masa en la dirección de la fuerza (F = ma.) En el caso del empuje del avión, la fuerza es proporcionada por la expansión de los gases quemándose en el motor que hace girar la propela. Una masa de aire moviéndose a través de la propela, un perfil en rotación, y su aceleración en dirección opuesta al patrón de vuelo. La reacción igual y opuesta de acuerdo con la 3ª ley de Newton es el empuje. Que es una fuerza en la dirección del vuelo..
  36. 36. Para vencer la inercia del avión parado, acelerarlo en la carrera de despegue o en vuelo, mantener una tasa de ascenso adecuada, vencer la resistencia al avance, etc... Se necesita una fuerza: el empuje o tracción. Esta fuerza se obtiene acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la del aeroplano. La reacción, de igual intensidad pero de sentido opuesto (3ª ley del movimiento de Newton), mueve el avión hacia adelante. En aviones de hélice, la fuerza de propulsión la genera la rotación de la hélice, movida por el motor (convencional o turbina); en reactores, la propulsión se logra por la expulsión violenta de los gases quemados por la turbina. Empuje o Tracción Esta fuerza se ejerce en la misma dirección a la que apunta el eje del sistema propulsor, que suele ser más o menos paralela al eje longitudinal del avión.
  37. 37. FUERZAS QUE ACTUAN EN VUELO FACTORES QUE AFECTAN LA SUSTENTACIÓN Actitud del avión. Este término se refiere a la orientación o referencia angular de los ejes longitudinal y transversal del avión con respecto al horizonte, y se especifica en términos de: posición de morro (pitch) y posición de las alas (bank); ejemplo: el avión esta volando con 5º de morro arriba y 15º de alabeo a la izquierda.
  38. 38. Trayectoria de vuelo y Viento Relativo Trayectoria de vuelo. Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento en el aire; es decir es la trayectoria que siguen las alas y por tanto el avión. Viento relativo. Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta. Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.
  39. 39. Angulo de Incidencia Ángulo de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala con respecto al eje longitudinal del avión. Este ángulo es fijo, pues responde a consideraciones de diseño y no es modificable por el piloto.
  40. 40. Trayectoria de vuelo Es importante destacar que no debe asociarse la trayectoria de vuelo, ni por tanto el viento relativo, con la actitud de morro del avión; por ejemplo, una trayectoria de vuelo recto y nivelado puede llevar aparejada una actitud de morro ligeramente elevada.
  41. 41. En la fig.1.3.6 se muestran distintas fases de un avión en vuelo, en cada una de las cuales podemos apreciar de una manera gráfica los conceptos definidos: la trayectoria; el viento relativo, paralelo y de dirección opuesta a la trayectoria, y la sustentación, perpendicular al viento relativo. Trayectoria de vuelo
  42. 42. Ángulo de ataque. El ángulo de ataque es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo. Este ángulo es variable, pues depende de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos extremos controlados por el piloto. Es conveniente tener muy claro el concepto de ángulo de ataque pues el vuelo está directa y estrechamente relacionado con el mismo. Es importante notar que, tal como muestra la fig.1.3.5, el ángulo de ataque se mide respecto al viento relativo y no respecto de la línea del horizonte. Dada la importancia de este concepto, se profundiza en el mismo. Angulo de Ataque
  43. 43. FIN DE LA PRIMERA PARTE MUCHAS GRACIAS

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