Propiedades

Las fuerzas aerodinámicas del vuelo se originan en un fluido. El fluido es generalmente aire o agua, aunque hay otros fluidos. Antes de que el vuelo pueda ocurrir, las propiedades del fluido deben medirse para entender las fuerzas generadas por un objeto en movimiento. En la sección de medidas, el concepto de unidades fue introducido para ayudar a entender las características de los fluidos. En esta sección se definen estas características, o propiedades, de los fluidos. Las unidades (pulgadas, libras, gramos, metros, etc.) serán utilizadas en las siguientes definiciones. Además, varios otros factores (hechos o partes) también serán definidos para ayudar a comprender mejor la aerodinámica. Estos factores incluyen el peso y la gravedad, la velocidad y la aceleración.

Temperatura

La temperatura de un fluido es una parte importante en el comportamiento de dicho fluido. El aceite caliente, por ejemplo, fluye más rápidamente que el aceite frío. En un cuarto, el aire caliente sube mientras que el aire frío baja; por esta razón, los diseñadores de casas a menudo colocan las ventanillas por donde sale el aire caliente de la calefacción cerca del suelo. El agua muy fría sube a la parte superior de un lago porque es más ligera que el agua que no está tan fría. Esto explica por qué los lagos se congelan de arriba para abajo, comenzando por la superficie. El sonido viaja más lejos en días fríos que en días calientes. Por lo tanto, es crucial (muy importante), saber la temperatura del fluido al calcular cantidades aerodinámicas. Como se mencionó en la sección de medidas, la temperatura tiene unidades de grados Fahrenheit o de grados centígrados.

Presión

La presión del fluido es otra consideración importante en el cálculo de las fuerzas aerodinámicas. Cuando un fluido se mueve alrededor o a través de un objeto, le da leves empujones a la superficie del objeto. Estos empujones, distribuidos sobre la superficie entera, son lo que se define como presión. La presión se mide en fuerza por unidad de área (pulgadas cuadradas, metros cuadrados). En unidades métricas, la presión se mide en newtons por el metro cuadrado. En el sistema inglés, la presión se mide generalmente en libras por pulgada cuadrada. Ejemplo: La atmósfera (aire) ejerce una presión sobre tu piel de 14.7 libras por pulgada cuadrada (psi).

La presión puede ser algo muy poderoso. Por ejemplo, una leve presión extendida sobre una área muy grande, puede resultar en una fuerza muy grande. La presión del aire disminuye conforme la altitud aumenta; la presión también disminuye cuando la velocidad del fluido (aire, agua) aumenta. Cuando la temperatura de un fluido aumenta, también sube la presión. La presión que actúa sobre un avión afecta directamente ¡su capacidad de volar!

Densidad

La densidad es una medida de cuánta masa (la cantidad de moléculas) hay en un objeto o volumen dado. Otra manera de describirla es qué tan apretadas se encuentran las moléculas dentro de un objeto o volumen. Cuando hablamos de la densidad de un fluido (volumen), a menudo nos referimos a un volumen específico, tal como un metro cúbico, a un pie cúbico.

Un fluido con muchas moléculas bien juntas unas de otras tiene una densidad alta; uno que tiene más pocas moléculas tendría una densidad más baja. El agua, por ejemplo, tiene una densidad mucho más alta que el aire. Una pecera de 10 galones que se encuentra llena de agua contiene mucha más masa que un tanque de 10 galones que tiene aire en lugar de agua. Como tiene más masa, pesa más (más sobre esto en una de las siguientes secciónes.) Además, la densidad se utiliza para determinar si un fluido es incompresible o compresible. Si la densidad del fluido es fija (constante), el fluido es incompresible; esto quiere decir que ni la masa ni el volumen del fluido puede cambiar. El agua es un fluido incompresible. O sea que la cantidad de volumen y la cantidad de masa permanecerán iguales, aún bajo presión.

Los gases (como el aire), son compresibles. Pueden expandirse para llenar un nuevo volumen. Cuando esto ocurre, la masa no cambia, pero el volumen aumenta; de esta manera, la densidad del gas disminuye en el nuevo volumen.

Un ingeniero aerodinámico debe prestar atención a todas las propiedades del fluido (aire, agua) para definir las condiciones de flujo. Esto se debe a que todas las propiedades están conectadas entre sí. Si la presión o la temperatura de un fluido cambia, su densidad generalmente también cambia (a menos que se trate de un fluido incompresible). La densidad del aire en un día caluroso es más baja que en un día frío. A grandes alturas, donde la presión es más baja, la densidad del aire es también más baja.

Viscosidad

Éste es una de las propiedades de esta lista más difíciles de definir. La viscosidad es una medida de cuánto se resistirá un fluido a fluir. Si derramas agua en una tabla inclinada, el agua correrá rápidamente por la tabla hacia abajo. Sin embargo, si derramas miel en la misma tabla inclinada, la miel viajará hacia abajo mucho más lentamente. La miel tiene una viscosidad mucho más alta que el agua. Se dice que la miel es un fluido más viscoso que el agua.

Cuando un fluido fluye sobre una superficie, ejerce una fuerza (medida en newtons, por ejemplo) en ella. Los científicos y los ingenieros definen la viscosidad usando unidades de la masa. Las unidades más comunmente usadas son kilogramo por metro segundo (kg/m s) en el sistema métrico, y libras masa por pie segundo (lbm/ft s) en el sistema inglés.

La resistencia al flujo (viscosidad) es una información importante cuando un objeto (como las alas de un avión o el casco de un barco) es diseñado para moverse a través del aire o del agua. Existen varias fórmulas matemáticas que se utilizan para obtener el valor de la viscosidad, el cual es necesario para diseñar superficies que reduzcan la fricción aerodinámica.

Fuerza

Las fuerzas han sido definidas como empujes o tirones que actún sobre un objeto. Para determinar las unidades de fuerza, los científicos y los ingenieros utilizan la segunda ley de Newton sobre el movimiento. La segunda ley indica que la fuerza ejercida sobre un objeto en movimiento es igual a la masa del objeto por su aceleración (una medida del movimiento del objeto). Se utilizan varias fórmulas matemáticas para calcular la fuerza.

Un aspecto interesante de la fuerza es que además de un valor y unidades, también tiene una dirección a la que está asociada. En la figura de arriba, una fuerza hacia la derecha actúa sobre la caja; por lo tanto, el objeto se mueve hacia la derecha. Si se aplicara la fuerza hacia abajo en la parte de arriba de la caja, no ocurriría movimiento alguno; puesto que la caja ya está en el suelo, ya no puede moverse más. No importa qué tan grande fuera la fuerza, no habría ya ningún movimiento. Así pues, es muy importante definir la dirección de una fuerza.

Peso y Gravedad

En otros países, la masa de los objetos se mide en gramos o en kilogramos. En los Estados Unidos, sin embargo, la gente también utiliza unidades de peso para referirse a la masa de un objeto. Esto está bien siempre y cuando uno se encuentre cerca de la superficie de la tierra donde la gravedad es constante, de tal manera que el peso es el mismo en cualquier lugar de la tierra (la aceleración de la gravedad es de 32.174 pies por segundo cuadrado, a nivel del mar). El peso es en realidad una fuerza causada por la aceleración de la gravedad y no la masa verdadera de un objeto. Pero a grandes alturas sobre el nivel del mar, la aceleración de la gravedad es menor. Por lo tanto, la "fuerza" de peso es menor. Entonces, a grandes alturas un objeto pesa menos, pero la masa sigue siendo la misma.

Los científicos deben mantener el peso y la masa separados. Por lo tanto, las unidades de masa y peso son: libras de masa y libras de fuerza. Si la masa de un objeto no cambia, las libras de masa de ese objeto tampoco cambian. Pero las libras de fuerza cambian con la altura. La fuerza con la que la tierra atrae a un objeto a grandes alturas es menor que en la superficie de la tierra, y por lo tanto, el peso del objeto es menor.

Esta es la razón por la cual un objeto en la luna pesa menos que el mismo objeto en la tierra. La atracción gravitacional de la luna es menor que la de la tierra, por lo que la aceleración de la gravedad en la luna es también menor (aproximadamete una sexta parte de la de la tierra). Esto quiere decir que cuando se pesa un objeto en la luna, pesa aproximadamete un sexto de lo que pesa el mismo objeto en la tierra. Ejemplo: Un niño que pesa 60 libras en la tierra pesaría ¡sólo 10 libras en la luna!

Velocidad

La velocidad es una medida de qué tan rápidamente se mueve un objeto. La velocidad es calculada dividiendo la distancia recorrida (una longitud) para el tiempo que se emplea en recorrer esa distancia. Las unidades de la velocidad son, por ejemplo, metros por segundo (m/s) o pies por minuto (ft/min). Si una persona corre 10 kilómetros en una hora, su velocidad es de 10 kilómetros por hora (km/hr). Si un coche viaja de Los Angeles, California, a San Diego, California, una distancia de 120 millas, en 2 horas, su velocidad es 60 millas por hora (120 millas/2 hrs = 60 mph). Una excepción a estas unidades es un término que ha sido acarreado desde los tiempos de la navegación, el nudo. En la aeronáutica, la velocidad del aire a menudo se mide en nudos. Un nudo equivale a cerca de 1.7 pies por segundo (ft/s).

Rapidez y velocidad son dos de los términos que se usan alternativamente para referirse a la misma cosa. Cuando los ingenieros trabajan con velocidades, deben saber la dirección del movimiento así como su valor numérico. Al valor numérico se le conoce como la magnitud de la velocidad, la cual también tiene una dirección: la caja fue movida a razón de 3 ft/s hacia la derecha, o el cohete viajaba hacia arriba con una velocidad de 120 m/s.

Aceleración

La aceleración es una medida de cómo cambia con el tiempo la velocidad de un objeto. Su valor se puede encontrar calculando la diferencia que hay entre la velocidad del objeto en determinado momento y la velocidad con la que viaja cierto tiempo después; la diferencia de velocidad se divide entonces por la diferencia de tiempo para calcular así la aceleración. Ejemplo: Un coche viaja a 60 mph cuando pasa por una marca que indica la primera milla. Una milla (y un minuto) más tarde, el coche se encuentra viajando a 70 mph. Entonces, 70 mph - 60 mph = 10 mph, dividio por 1/60 hora (o sea, un minuto) resulta en una aceleración de 600 mph/hr. Esto quiere decir que si la aceleración se mantuviera constante (a 600 mph/hr), el coche alcanzaría una velocidad de 600 mph al final de los próximos 59 minutos. Las unidades de aceleración son metros por segundo cuadrado (m/s^2); pies por segundo cuadrado (ft/s^2); millas por hora cuadrada (m/hr^2); o kilómetros por hora cuadrada (km/hr^2).

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

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