Aerodinámica I

Origen de las fuerzas aerodinámicas

Perfiles aerodinámicos: definición y nomenclatura:

Imaginemos que cortamos por un plano transversal el ala de un avión de longitud (envergadura, que es la distancia entre los dos extremos de una ala) infinita. Conseguimos pues una sección plana que se llama sección  aerodinámica del ala. La sección recta obtenida tiene forma exterior (línea perimetral curvada llamado perfila aerodinámico.

Fig.2.1

Terminología de los perfiles aerodinámicos:

Primero de todo hay que señalar que hay miles de perfiles aerodinámicos catalogados. Solo mostraremos los tres perfiles más genéricos:

1) El perfil de tipo clásico (el más usado), está constituido por la línea superior, que se llama extradós, y la línea inferior que se llama intradós.

Fig.2.2 Perfil alar clásico

Este perfil es llamado clásico porque es utilizado en una amplia categoría de aeronaves. Sobretodo las avionetas Cesna ya que esta está hecha para realizar vuelos de entrenamiento y de baja velocidad como por ejemplo los hidroaviones que necesitan volar a bajas velocidades para recoger el agua de distintos lugares.

Fig.2.3 Hidroavión Canadair. Podemos observar su perfil alar en
el que distinguimos intradós y extradó perfectamente.

2) El perfil simétrico se denomina así porque lo podemos dividir en dos partes por la mitad que superpuestas coinciden.

Fig.2.4 Perfil simétrico

El perfil simétrico se usa en aeronaves que han de viajar a altas velocidades en especial en la aviación comercial. Este tipo de perfil te permite volar solo hasta un máximo, y este es la capa límite.

Fig.2.5 Airbus A310-300 del ejercito del aire español
con un perfil alar simétrico

3) El tercer tipo de perfil es una sección moderna llamado perfil supercrítico. Es un perfil para vuelo subsónico de alta velocidad.

Fig.2.6 Perfil supercrítico

El perfil supercrítico se usa para volar a mayor velocidad pero con la misma resistencia aerodinámica. Para ello es importante recordar la presencia y crecimiento sobre la superficie superior del ala (extradós), la zona local de movimiento supersónico, debido a la curvatura del perfil y a la hipótesis de aumentar progresivamente el número Mach en de vuelo.

En la actualidad Boeing, con su nueva gama "Dreamliner" (con sus novedosos 787 y 747-800) están dándole un gran uso a la ala de perfil supercrítica ya que les permite viajar a velocidades muy altas incluso superando la capa límite ya que es una de las virtudes de este tipo de perfil alar.

Fig.2.7 Boeing 787-Dreamliner

Vamos a definir vários conceptos que aparecen en las anteriores imágenes:

-Borde de ataque: El borde de ataque es el borde anterior del perfil aerodinámico.

-Borde de salida: El borde de salida es el borde posterior del perfil aerodinámico.

-Línea de cuerda: La línea de cuerda es la línea recta que pasa por el borde de ataque y el borde de salida.

-Cuerda: La cuerda es el segmento de la línea de cuerda comprendido entre el borde de ataque y el borde de salida.

-Línea de curvatura media: La línea de curvatura media es la línea media entre la línea superior del perfil y la línea inferior. Si nos fijamos, podemos observar que en el perfil simétrico coinciden la línea de curvatura media y la línea cuerda.

-Extradós: El extradós es la parte superior del perfil. Extradós del ala es la superficie del ala.

-Intradós: El intradós es la parte inferior del perfil. Intradós del ala es la superficie inferior del ala.

-Ángulo de ataque: El ángulo de ataque es el ángulo que forma la línea de la cuerda y el viento relativo que incide en el perfil.

Fig.2.8 Ángulo de ataque

Efecto Magnus. Torbellinos:

Si cogemos una esfera en movimiento de rotación con giro en sentido contrario a las agujas del reloj. El cuerpo está colocado perpendicular a las líneas de corriente de un fluido viscoso en régimen laminar (ordenado) y uniforme (estacionario).

Puesto que el fluido es viscoso, ciertas partículas son arrastradas por el movimiento de giro de la bola a la zona externa añadiendo una componente de velocidad en esa zona y sucede exactamente lo contrario en la zona opuesta, es decir, que la velocidad disminuye. La resultante de todas las fuerzas de presión es una fuerza vertical, denominada sustentación (L), que tiende a desplazar la esfera en dirección perpendicular a las líneas de corriente.

Este efecto es muy utilizado, como muestra el video por los deportistas que practican diversos deportes con pelota como el tenis, fútbol,... . Para imprimir una trayectoria curva de la pelota, de acuerdo con el sentido de giro que le da el lanzador.

Circulación:

La velocidad de rotación de un torbellino se llama circulación, y mide por tanto su intensidad y participación en el modo de la fuerza aerodinámica.

Teoría de la sustentación:

La sustentación es una fuerza que se produce cuando se hace girar una corriente de aire de velocidad V sobre el perfil, giro en el que intervienen tanto la parte de aire superior como inferior del mismo.

De la segunda ley de Newton, tenemos en la ecuación que en dos instantes cualesquiera t_{1} y t_{0} en el campo del flujo podemos escribir:

Observamos que tanto un cambio de la velocidad del fluido como de dirección
(V es un vector) producen fuerza que llamamos sustentación

Reacción total sobre el perfil. Resultante aerodinámica:

El perfil aerodinámico suele estar inclinado respecto al viento relativo de modo que la fuerza resultante total R es aproximadamente perpendicular a la cuerda del perfil. La resultante se compone de dos partes:

Fig.2.9 Componentes de la resultante aerodinámica

1) Sustentación (L): Es la componente de la resultante aerodinámica  perpendicular a la corriente, de velocidad V. La sustentación o L, por definición es perpendicular a la dirección local de la corriente del aire; por tanto en un régimen de ascenso está inclinada hacia atrás y en un picado (como los alerones de los coches) hacia delante.

2) Resistencia aerodinámica parásita (D_{p}): Es la componente paralela a la dirección de corriente libre, de velocidad V.

La resistencia parásita es la suma de fricción y de presión conocida también resistencia del perfil (usado más en aerodinámica del helicóptero).
La expresión "parásita" tuvo su origen en que la resistencia debida a elementos o componentes de la aeronave que no contribuyen a la sustentación.