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Fuerzas de Vuelo | |
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Fuerzas de Vuelo El vuelo de un avión, de un pájaro, o de cualquier otro objeto involucra cuatro fuerzas que puedan ser medidas y comparadas: sustentación, resistencia, empuje, y peso. Como se puede ver en la figura de abajo, estas cuatro fuerzas están distribuidas con 1) la fuerza de sustentación dirigida hacia arriba; 2) el peso que empuja hacia abajo; 3) el empuje dirigido hacia adelante en la dirección del vuelo; 4) y la fuerza de resistencia que se opone al empuje. Para que el avión vuele, la fuerza de sustentación debe ser mayor o igual al peso. La fuerza de empuje debe ser mayor que o igual a la fuerza de resistencia. Los términos y conceptos que fueron definidos anteriormente en este capítulo se pueden ahora utilizar para calcular cada una de estas fuerzas.
Peso El peso del avión, como ya se mencionó anteriormente en este capítulo, es una medida de una fuerza natural que jala al avión para abajo hacia la tierra (gravedad). Por lo tanto, la dirección que se le asigna al peso es hacia abajo. Sustentación La fuerza que empuja a un objeto hacia arriba en contra de la dirección del peso es la sustentación. En los aviones, al igual que en los pájaros, la sustentación es creada por el movimiento del aire alrededor de las alas (la sustentación creada por el cuerpo o la cola es pequeña). La siguiente figura muestra dos líneas de corriente aerodinámica alrededor de un típico perfil aerodinámico (o de una ala); una viaja sobre la superficie superior del perfil mientras que la otra viaja por la parte de abajo. Si dos partículas se dejaran ir desde el mismo punto y al mismo tiempo, una en cada línea aerodinámica, las partículas comenzarían a moverse juntas. Al acercarse a la parte de enfrente del perfil, sin embargo, sus velocidades comenzarán a cambiar. Debido a la forma que tiene el perfil aerodinámico, el aire se mueve más rápidamente sobre la superficie superior que en la parte inferior del perfil. La partícula que viaja sobre la superficie superior debe recorrer una distancia mayor. El aumento de velocidad del aire en la superficie superior hace que la presión disminuya (debido a la ley de Bernoulli). Asimismo, la disminución de velocidad crea una presión más alta en la parte inferior. La diferencia que hay entre la presión que existe en la superficie superior y la presión que existe en la superficie inferior es lo que genera la sustentación.
Así, cuando se combinan las fuerzas que se generan en ambas superficies, la fuerza neta es la sustentación, la cual está dirigida hacia arriba. La forma del perfil aerodinámico (corte transversal de la ala) es muy importante para la producción de sustentación; y por lo tanto, los diseñadores de aviones diseñan estas formas muy cuidadosamente. En la actualidad, la mayoría de los perfiles tienen comba, lo cual significa que la superficie superior está arqueada mientras que la superficie inferior es más plana. Este tipo de perfiles genera sustentación incluso cuando la corriente del aire es horizontal (el ángulo de ataque es zero). Los hermanos Wright utilizaron perfiles simétricos para construir las alas de su aeroplano. En este caso, puesto que las superficies superior e inferior son iguales, las partículas de las líneas aerodinámicas que se forman encima y debajo del perfil simétrico se mueven exactamente a la misma velocidad. La presión que hay en la superficie superior es exactamente igual a la presión de la superficie inferior, de tal manera que la fuerza combinada neta que actúa en el perfil ¡es cero! Un perfil simétrico que se mueve horizontalmente a través de la corriente de aire no genera ninguna fuerza de sustentación (¡un ala con perfiles simétricos no puede volar cuando se mueve horizontalmente). ¡Cómo fue, entonces, que los hermanos Wright consiguieron que su aeroplano volara? Puesto que se necesita una superficie superior "más larga" para generar sustentación, la ala se puede inclinar contra la corriente del aire. Ahora las partículas que viajan sobre la superficie superior deben moverse más rápidamente produciendo una presión más baja que en la superficie inferior, y ¡así se genera la sustentación. Y es así cómo los hermanos Wright conseguieron elevarse por el aire. Inclinaron las alas de su aeroplano para crear la sustentación. Recuerda que en un principio, los aviones podín permanecer en el aire sólo unos cuantos minutos. Tan pronto como la "sustentación" llegaba a su fin, el aeroplano volvió a la tierra.
A la "inclinación" de la ala con respecto a la corriente del aire se le llama ángulo de ataque. Puede ser utilizada con alas arqueadas o simétricas. Esta es la razón por la cual un avión gira un poco hacia arriba durante el despegue; el piloto aumenta el ángulo de ataque para generar más sustentación. Si el ángulo de ataque aumenta al doble, la sustentación también aumenta al doble. Sin embargo, la cantidad de sustentación que puede ser generada, tiene un límite. El ángulo de ataque puede aumentarse hasta un punto en el que la fuerza neta de sustentación comienza a reducirese drásticamente. Cualquier persona puede confirmar que al aumentar el ángulo de ataque, la sustentación también aumenta. El pasajero de un coche en movimiento puede sacar su mano por la ventana y experimentar con la sustentación. Si la mano se mantiene perfectamente plana y horizontal al suelo, el pasajero podrá sentir la resistencia del aire en su mano (más sobre esto más adelante). Si él o ella gira levemente la mano hacia arriba, sentirá cómo el aire empuja su mano hacia arriba. Ésta es la fuerza de sustentación. Otra manera de aumentar la sustentación de un ala es extender las aletas hacia abajo. Esto, como cuando se aumenta el ángulo de ataque, hace que la superficie superior se alargue y que la superficie inferior se acorte para generar más sustentación. La velocidad de la corriente de aire (o, más bien, la velocidad del avión) es el elemento más importante para la producción de sustentación. Si la velocidad aumenta, la sustentación aumentará dramáticamente. Si la velocidad del avión se dobla, la sustentación será cuatro veces mayor.
La generación de sustentación también está presente en otras partes. Los diseñadores de carros de carreras utilizan superficies con perfiles aerodinámicos que generan una fuerza de sustentación negativa, o sea, una fuerza dirigida hacia abajo. Esta fuerza, combinada con el peso del coche, ayuda a que el piloto mantenga estabilidad en la pista durante las curvas de alta velocidad. Los discos voladores y otros juguetes similares (juguetes planos que pueden ser lanzados) también utilizan los principios de la sustentación. Además de la diferencia de presión causada por el movimiento giratorio del disco, el ángulo con el que se lanza también contribuye para generar sustentación y afecta qué tanto tiempo el disco permanece en el aire. Empuje Cualquier fuerza que empuja a un avión (o a un pájaro) hacia adelante se llama empuje. El empuje es generado por los motores del avión (o por el aleteo de las alas de un pájaro). Los motores empujan hacia fuera aire rápido detrás del avión, mediante el uso de hélices propulsoras o de propulsión a chorro. Este aire rápido es lo que causa que el avión se mueva hacia adelante. Fuerza de Resistencia La fuerza de resistencia es la cuarta de las principales fuerzas del vuelo. Esta fuerza retarda el movimiento hacia adelante de un objeto, incluyendo los aviones. Hay cuatro tipos de resistencia: fuerza de fricción, resistencia de presión, resistencia inducida, y la resistencia causada por las ondas de choque. Estos tipos de resistencia dependen de la forma que tenga el cuerpo, de la suavidad de las superficies, y de la velocidad del avión. Las cuatro se suman para obtener la fuerza de resistencia total. La fuerza de resistencia se opone a la fuerza de empuje. Si empuje es mayor que la resistencia, el avión se mueve hacia adelante, pero si la fuerza de resistencia excede al empuje, el avión perderá velocidad. La fuerza de fricción a veces también es conocida como resistencia al rozamiento. Esta es la fuerza friccional que se genera en la superficie del avión causada por el movimiento del aire alrededor de todo el avión. Si una persona examinara la superficie de las alas, por ejemplo, vería que todas las láminas de metal ensamblan casi perfectamente, e incluso los remaches se liman y se colocan tan al ras de la superficie como sea posible. Esto ayuda a minimizar la fuerza de fricción. La resistencia de presión, o resistencia de forma (como a veces se le llama a veces, está directamente relacionada a la forma del cuerpo del avión. Una forma aerodinámica y lisa genera menos resitencia de presión que un cuerpo voluminoso o cuerpo un plano. La resistencia de forma de cualquier objeto que se desplaza a través de un fluido (aire o agua, por ejemplo) puede reducirse aerodinamizando dicho objeto. A los automóviles se les da una forma aerodinámica, lo cual se traduce en un mejor un kilometraje por la misma cantidad de combustible. La resistencia del aire es menor, y por lo tanto se necesita menos gasolina para "empujar" el coche hacia adelante. Los autobuses, las furgonetas (vagonetas), y los camiones grandes son menos aerodinámicos, y esta es una de las razones por las que utilizan más combustible que coches más pequeños, aerodinámicos (el peso es otra de las razones). La resistencia de presión es fácil de demostrar sacando una mano por la ventana de un coche en movimiento. Si una persona pone la mano plana, como una ala, su mano se convierte en un objeto aerodinámico. Solamente se siente un pequeño tirón o poca resistencia. Si la persona voltea la mano de modo que la palma esté contra el aire, la fuerza de resistencia aumenta considerablemente, ¡y el aire empuja la mano hacia atrás! La mano ya no tiene una forma aerodinámica. Hay otros dos tipos de resistencia, la resistencia inducida y la resistencia de onda de choque. A la resistencia inducida a veces se le llama resistencia de sustentación. Cuando se genera la fuerza de sustentación a lo largo de una ala, también se produce un exceso de fuerza (de sustentación) en pequeñas cantidades en dirección opuesta a la dirección en la que vuela el avión. Esta fuerza actúa como resistencia y retarda el movimiento del avión. Los diseñadores de aviones tratan siempre de diseñar alas que produzcan menos resistencia inducida. El último de los cuatro tipos de resistencia es la resistencia de onda de choque. Generalmente, esta resistencia solamente se produce cuando el avión vuela con una velocidad mayor a la velocidad del sonido. La resistencia de onda de choque es causada por la interacción que se desarrolla entre las ondas de choque en la superficie y por las pérdidas de presión producida por las ondas de choque. La resistencia de onda de choque también puede ocurrir durante velocidades transónicas, en regiones donde, localmente, la velocidad del aire ya es supersónica. Como en la actualidad la mayoría de los jets comerciales vuelan a velocidades transónicas, la resistencia de onda de choque es una parte importante de la resistencia total de este tipo de aviones. Resumen Cada piloto conoce y utiliza estas cuatro fuerzas básicas del vuelo. Los pilotos aeroacróbatas están balanceando constantemente estas fuerzas para diseñar piruetas asombrosas para deleitar a la gente que los mira. Estos pilotos deliberadamente provocan que las alas del avión entren en pérdida para que el avión pierda sustentación y descienda repentinamente. Vuelan de cabeza muy cuidadosamente, balanceando la nueva fuerza de sustentación con el peso del avión. A veces dirigen sus aviones directamente hacia arriba y vuelan de esta manera lo más alto posible; después mantienen el avión inmóvil por un segundo antes de descender nuevamente. Después de unos segundos desgarradores, el piloto voltea el avión de tal manera que la nariz apunte hacia abajo en la dirección de la corriente de aire para después volver a volar horizontalmente. Para que estas acrobacias sean posibles, los pilotos deben balancean cuidadosamente las fuerzas de sustentación, peso, resistencia y empuje.
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