Diversas Formas en que se Mueve el Aire

Los términos y las definiciones siguientes son utilizados por los ingenieros aerodinámicos para definir la manera en que se mueve un fluido dentro o alrededor de un objeto. Para darse una buena idea de lo que está sucediendo alrededor de una ala, por ejemplo, el ingeniero aerodinámico necesita saber la velocidad del avión, la altitud a la que vuela el avión, las dimensiones y la forma de la ala, y las propiedades del aire. Los ingenieros aerodinámicos utilizan los términos y conceptos descritos en esta lista para definir el flujo de los fluidos.

Velocidad del Sonido

Si una persona está situada muy lejos del lugar donde ocurre una explosión, él o ella no la oirá enseguida. Lleva tiempo para que las ondas acústicas viajen de un lugar a otro. Esto se debe a que el sonido viaja en ondas invisibles de presión cambiante a través de un fluido (generalmente aire, aunque también a veces puede ser un líquido). Una persona que se encuentra más cerca de la explosión, la oirá más pronto. A nivel del mar, en un día típico (ni muy caliente, ni muy frío), la velocidad del sonido (qué tan rápidamente viajan las ondas acústicas) es aproximadamente de 760 millas por la hora (mph).

La velocidad del sonido depende de la presión y de la densidad del fluido en custión. Como la presión y la densidad del aire pueden cambiar con la temperatura (o la altura), el ingeniero aerodinámico debe calcular la velocidad del sonido basado en la altitud, la presión, y la densidad a las que está volando el avión. Esto significa que la velocidad del sonido podría ser mayor o menor a las 760 mph en condiciones diferentes.

Número De Mach

Los números Mach 1, Mach 2, Mach 3, etc. se utilizan para indicar la velocidad de un avión en comparación con la velocidad del sonido. Mach 2, por ejemplo, significa que el avión vuela a dos veces la velocidad del sonido. Recuerda, la velocidad del sonido puede cambiar según las condiciones de la atmósfera. Un avión que vuela a baja altura a una velocidad de Mach 0.8 tendrá el mismo comportamiento del flujo del aire sobre las alas que el mismo avión volando a grandes alturas a Mach 0.8. La velocidad del sonido disminuye conforme la altura aumenta; por lo tanto, para que el avión que vuela a una altura más alta viaje a Mach 0.8, su velocidad deberá ser ¡menor que la del avión que vuela a una altura más baja! El comportamiento del flujo del aire alrededor de las alas, sin embargo, será igual en ambos aviones.

El número de Mach recibió ese nombre en honor a Ernst Mach (1838 -1916), quien condujo los primeros experimentos significativos relacionados con el vuelo supersónico en la universidad de Praga, Alemania.

El flujo del aire sobre una ala cambia drásticamente cuando la velocidad del avión se aproxima a Mach 1.0. Hay diversos procedimientos matemáticos que se utilizan para calcular el comportamiento del flujo del aire. El flujo de aire cuya velocidad es menor a Mach 1.0 se llama flujo subsónico. El flujo de aire cuya velocidad es mayor a Mach 1.0 se llama flujo supersónico. Si el número de Mach es mayor de 5.0, ese tipo de flujo se le llama hipersónico. Sin embargo, un avión que viaja con una velocidad de entre Mach 0.75 y Mach 1.20 tiene áreas en su superficie que experimentan ambos tipos de flujo: subsónico y supersónico; los ingenieros aerodinámicos se refieren a este régimen de vuelo (o escala de velocidades) con el nombre de régimen transónico. Los cálculos del flujo del aire en esta área deben hacerse muy cuidadosamente.

Es interesante ver qué sucede a el flujo del aire a medida que un aeroplano se acerca a Mach 1.0. A velocidades subsónicas, las ondas de presión cambiante que se originan alrededor del avión se propagan en todas direcciones a la velocidad del sonido correspondiente a la altitud a la que viaja el avión.

Conforme el avión vuela más rápidamente y se acerca al régimen transónico (aún por debajo de Mach 1.0), la velocidad de las ondas que se propagan delante del avión no es mucho mayor que la velocidad del propio avión.

Cuando se alcanza la barrera del sonido, Mach = 1.0, el frente de las ondas acústicas y el avión viajan a la misma velocidad.

Conforme la velocidad del avión aumenta y rebasa la velocidad del sonido (un número de Mach superior a 1.0), las ondas se comprimen formando una especie de envoltura cónica alrededor del avión. Las condiciones de la corriente de aire delante del avión no cambian hasta que el avión pasa ahí. Solamente la región que se encuentra dentro del cono es afectada por el avión. Esta compresión cónica se conoce como onda de choque, y será discutida en mayor detalle en una sección posterior.

Fricción

Cualquier cosa que se mueve junto a otro objeto causa fricción o resistencia al movimiento entre los dos objetos. Si una persona trata de empujar una caja a través del suelo, él o ella debe empujar con fuerza para superar la resistencia. Si la persona empuja con una fuerza que es superior a la fuerza causada por la fricción, la caja se moverá. Si la fuerza con la que se empuja no es lo suficientemente grande, la caja no se moverá.

La fricción entre dos objetos móviles puede ser afectada por las superficies de los objetos. Por ejemplo, es más fácil empujar una caja pesada a través de un suelo liso de madera, o una capa de hielo, que empujarla a través de una alfombra gruesa y áspera. Eso significa que la fricción entre la caja y el suelo liso o la capa de hielo es menor que la fricción entre la caja y la alfombra gruesa, de tal forma que no es necesario empujar la caja con tanta fuerza para conseguir que se mueva.

Cuando un fluido como el aire fluye través de una superficie como una ala, hay fricción que se opone al movimiento. La magnitud de la fricción depende de dos factores, la viscosidad del fluido y la suavidad de la superficie. Un fluido muy viscoso como la miel (un fluido con alta viscosidad) se resistirá a fluir, incluso cuesta abajo a lo largo de una superficie lisa. En este caso, la fuerza de fricción en la superficie es muy grande. Un fluido como el agua con una viscosidad mucho más baja se moverá mucho más rápidamente a lo largo de una superficie lisa inclinada; esto se debe a que la fricción entre el agua y dicha superficie es mucho más pequeña. Sin embargo, si el agua fluye a través de una superficie muy áspera, como una alfombra, fluirá cuesta abajo más lentamente que en la superficie lisa. Como la superficie es más áspera, la fricción es mayor y la velocidad menor.

Capa Límite

Debido a esta fuerza de fricción, cuando un fluido corre sobre una superficie, ocurre un interesante fenómeno. Al hacer contacto con la superficie, el fluido se detiene completamente; no hay velocidad o movimiento en la superficie. Una nueva capa de fluido se forma encima del flujo que está detenido en la superficie. En esta nueva capa hay menos fricción, y por lo tanto, el flujo logra cierto movimiento. Se forman nuevas capas, cada una con menos fricción, hasta que a una cierta distancia de la superficie original, ya no hay ningún efecto del flujo retardado por la fricción, y el resto de las capas de fluido viajan a la velocidad original. La distancia que hay entre la superficie original y la capa del flujo que viaja a la velocidad original se conoce como el espesor de la capa límite.

En general, el espesor de la capa límite aumenta conforme el fluido se mueve a lo largo de la superficie. Qué tanto aumenta el espesor de la capa límite y qué tan rápido lo hace, son factores que dependen de la suavidad de la superficie, la forma de la superficie, la viscosidad del fluido, y la velocidad del flujo.

Capa Límite Laminar

Cuando la velocidad es baja, un fluido que corre a lo largo de una superficie lisa que es relativamente corta y plana producirá una capa límite muy delgada. El flujo dentro de la capa límite será suave y ordenado, lo cual quiere decir que las diferentes capas de fluido permanecerán básicamente paralelas unas a otras, sin mezclarse. A este tipo de capa límite se le llama capa laminar.

Desafortunadamente, la naturaleza tiende hacia el desorden, por lo que es raro poder mantener una capa límite laminar para mucho tiempo.

Capa Límite Turbulenta

Conforme un fluido se mueve sobre una superficie larga y relativamente plana, la capa límite se irá haciendo más gruesa, y las capas de fluido comenzarán a mezclarse y a girar una alrededor de la otra. Esta capa límite en la que el movimiento del fluido es agitado y giratorio, se llama capa límite turbulenta. A esta agitación continua de las partículas del fluido se le llama trubulencia. Si el movimiento giratorio del fluido es regular y repetible, entonces se conoce como vórtice o remolino.

Puesto que la mayoría de las capas límite que se forman sobre los aviones son turbulentas, los ingenieros aerodinámicos tratan de diseñar las superficies de modo que reduzcan al mínimo la cantidad de turbulencia o desorden.

Transición

La región de la capa límite donde las capas laminares ordenadas empiezan a mezclarse unas con otras, pero antes de que realmente comienzan a arremolinarse, se conoce como la región de transición. La mayor parte del tiempo esta región es bastante pequeña. El ingeniero aerodinámico procurará diseñar una superficie que prolongue la región laminar y reduzca región turbulenta.

Separación Del Flujo

Cuando una capa límite turbulenta comienza realmente a arremolinarse, el espesor de la capa límite empieza a crecer todavía; más rápidamente. Eventualmente, el flujo llega a mezclarse tanto que comienza a fluir al revés ¡hacia la parte de enfrente de la superficie! Cuando esto sucede, el fluido exterior original se mueve sobre una gran burbuja creada por la turbulencia. Dentro de la burbuja, el flujo se mueve en sentido contratio a lo largo de la superficie. A esto se le llama separación del flujo. En el frente de la burbuja, donde el fluido ya no puede seguir moviéndose a lo largo de la superficie, hay un punto en el que la corriente cambia bruscamente de dirección, alejándose de la superficie. A este punto se le conoce como punto de separación. En la parte posterior de la burbuja, hay otro punto donde la dirección de la corriente exterior cambia una vez más para continuar nuevamente a lo largo de la superficie. Éste es el punto de reacoplamiento. Si la región de separación del flujo se extiende más allá de la superficie, a esta región se le llama estela.

Por lo general, a los pilotos y a los ingenieros no les gusta que haya separación del flujo en las alas. Esto es una condición conocida como pérdida. Cuando un ala entra en pérdida, la sustentación (la fuerza que hace que los aviones vuelen; ver una sección más adelante) disminuye repentinamente. El avión entonces pierde altura; y si la pérdida no se corrige, el avión se estrellará. Sin embargo, cuando se trata de aterrizar un avión, el piloto espera hasta que la nave se encuentre cerca del suelo; entonces el piloto provoca un pérdida leve y controlada para que el avión descienda suavemente sobre la pista de aterrizaje.

Flotabilidad

La flotabilidad es una fuerza que está dirigida de abajo hacia arriba, o en sentido contrario del peso (que se considera una fuerza hacia abajo). Siempre hay flotabilidad en un fluido. El fluido puede estar en movimiento o estacionario. El científico griego Arquímedes (287 - 212 B.C.) dedujo que la fuerza de flotabilidad era igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.

Si un objeto que cae al agua pesa menos que el agua desplazada (desalojada), entonces flotará; si pesa más, entonces se hundirá.

La densidad de los líquidos es mucho mayor que la de los gases, como el aire. Por lo tanto, la fuerza de flotabilidad de un líquido es mucho mayor que la de un gas. Los arquitectos navales y diseñadores de barcos deben utilizar la fuerza de flotabilidad en sus cálculos. La fuerza de flotabilidad que actúa sobre los aviones es tan pequeña que por lo general es ignorada (no es incluida en los cálculos). Los globos de aire caliente y los dirigibles sí utilizan la fuerza de flotabilidad para conseguir ponerse a flote, pero desplazan un volumen de aire tan extremadamente grande que la fuerza de flotabilidad excede su peso de modo que pueden flotar en el aire y volar.

Líneas Aerodinámicas y Patrones de Flujo

Los ingenieros aerodinámicos y otros ingenieros necesitan saber hacia dónde se dirige el flujo. Una línea aerodinámica delinea el recorrido de un elemento o pequeña porción de fluido mientras viaja en el tiempo y el espacio alrededor o a través de un objeto. Las líneas aerodinámicas se obtinene matemáticamente a partir de las velocidades del flujo. Por lo general, las líneas aerodinámicas son representadas gráficamente como líneas con flechas que muestran la dirección del flujo. Pueden ser utilizadas para mostrar de qué forma viaja el aire alrededor de un perfil aerodinámico (un corte transversal o rebanada de un ala), con parte del aire corriendo por encima del perfil aerodinámico y el resto del aire corriendo por debajo del perfil. En una sección anterior, por ejemplo, las líneas aerodinámicas fueron utilizadas para mostrar lo que pasa cuando ocurre separación del flujo en un ala.

Ondas de Choque

Según lo discutido en la sección del número de Mach, cuando un avión viaja más rápidamente que la velocidad del sonido, se produce una onda de choque. Ésta tiene forma de cono que se produce alrededor del avión cuando la velocidad es supersónica. Cuando se forma una onda de choque, las propiedades del fluido tales como presión, densidad, temperatura, y velocidad cambian drásticamente e instantáneamente a través de la onda de choque.

Teóricamente, una vez que se forma una onda de choque, ésta viajará hasta el infinito. En la naturaleza, sin embargo, los vientos atmosféricos hacen que la onda de choque se debilite y se disperse. Cuando un un avión que vuela a velocidades supersónicas se encuentra a grandes alturas, la onda de choque se dispersa (esparce) mucho antes de alcanzar la superficie de la tierra. Sin embargo, si un avión vuela a velocidad supersónica muy cerca del suelo, la onda de choque golpeará la superficie de la tierra. Será escuchada y sentida por las personas en la tierra (a esto se le llama estampido sónico). Si la onda de choque es bastante fuerte, ¡causará que los edificios se estremezcan y que las ventanas se quebren!

El transbordador espacial tiene una onda de choque a su alrededor mientras vuela de regreso a la tierra a través de la atmósfera. Hay una sección del sudoeste del estado de Georgia que se encuentra en la trayectoria de vuelo cuando el transbordador aterriza en Cabo Cañaveral. Cuando el transbordador sigue esta trayectoria, su velociadad todavía es levemente supersónica, y se encuentra lo suficientemente cerca de la tierra que la gente alcanza a escuchar el estampido sónico cuando el transbordador pasa por encima. El transbordador espacial no puede ser visto, ¡pero puede ser escuchado! Para cuando el transbordador se encuentre volando lo suficientemente bajo como para que la onda de choque cause algún daño, la velocidad ya habrá sido disminuida a menos de Mach 1.0, y la onda de choque ya no existirá.

Al principio, la aerodinámica del vuelo transónico y supersónico no era bien entendida. A medida que los pilotos volaban más y más rápidamente, acercándose a la región sónica (conocida en ese entonces como la barrera del sonido), los aviones comenzaban a sacudirse ¡e incluso a desarmarse! Algunas gentes estaban convencidas de que había una barrera invisible y que los seres humanos no estaban destinados a rebasar la velocidad del sonido.

A finales de los años 40, los diseñadores comenzaron a entender la aerodinámica de alta velocidad y empezaron a diseñar aviones que volaran en el régimen supersónico. El 14 de octubre de 1947, el capitán Charles Yeager, a bordo del avión experimental Bell XS-1, realizó el primer vuelo supersónico con éxito. En la actualidad, muchos pilotos vuelan con frecuencia más rápidamente que la velocidad del sonido.

Ley de los Gases Perfectos

La ley de los gases perfectos establece la relación entre la presión, la densidad, y la temperatura de un gas a cualquier instante y en cualquier lugar. El aire se maneja como si fuera un gas perfecto, a pesar de que es una mezcla de gases; está compuesto sobre todo de nitrógeno. Los ingenieros utilizan regularmente la ley de los gases perfectos para calcular las propiedades del flujo del aire.

Teorema De Bernoulli

Daniel Bernoulli (1700 -1782) fue el primero en desarrollar una teoría y una fórmula matemática para mostrar la relación entre la velocidad y la presión de un fluido: cuando la velocidad del flujo aumenta, la presión disminuye, y cuando la velocidad disminuye, la presión aumenta. Esto fue un descubrimiento muy importante. Más personas comenzaron a experimentar con el vuelo, y a estas personas les fue posible utilizar el teorema de Bernoulli para diseñar los perfiles aerodinámicos. El teorema muestra cómo se crea la sustentaón cuando una corriente aérea pasa sobre una ala. Ésta fue la información vital requerida para hacer el vuelo posible.

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Last modified: Mon Jun 15 20:45:02 PDT 1998

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