Sustentación y resistencia aerodinámica
Un cuerpo se desplaza un el aire (o una corriente de aire pasa sobre un cuerpo en reposo) genera fuerzas aerodinámicas.
Pongamos un ejemplo práctico:
En todo caso hay que decir que los factores y variables que intervienen en la creación de las fuerzas aerodinámicas son de diversa naturaleza. Para un cuerpo bien fusilado siempre es posible descomponer la fuerza aerodinámica resultante en dos componentes, una perpendicular a la dirección de la corriente llamada sustentación, y otra paralela a la corriente llamada resistencia aerodinámica.
Coeficientes aerodinámicos
Cuando se habla de estos coeficientes, éstos no tienen valor absoluto alguno, si no que son adimensionales.
Estos coeficientes dependen siempre de diferentes variables ya que al fin y al cabo son funciones. Recordemos que una función es la relación entre dos variables.
Así, podemos decir que la resistencia aerodinámica, o la sustentación dependen de:
-La densidad del aire: 
-Velocidad del aire al cuadrado:
-Superficie característica del cuerpo:
-Un coeficiente global que tiene en cuenta los factores siguientes:
-Velocidad del aire al cuadrado:
-Superficie característica del cuerpo:
-Un coeficiente global que tiene en cuenta los factores siguientes:
- Ángulo de ataque:
- Factor de viscosidad del aire, que tiene en cuenta las características de viscosidad en que se desplaza el móvil.
- La rugosidad que presenta la superficie del cuerpo en contacto del aire.
Podemos sacar la conclusión que las fuerzas aerodinámicas, dependen de cuatro factores, el último de ellos es un coeficiente que engloba un número importante de variables.
La determinación del coeficiente global se realiza en los llamados "túneles aerodinámicos" donde se establece una corren de aire de velocidad y densidad (del aire) conocidas (número de Reynolds), y se miden con las fuerzas que se originan en el modelo del ensayo.
Si D es resistencia aerodinámica del perfil, podemos escribir:
| Donde F es el factor global |
El hecho de multiplicar y dividir por 2 la parte derecha de la ecuación es para conseguir la presencia de la presión dinámica (q):
Si al factor 2F le llamamos coeficiente de resistencia aerodinámica, y lo representamos por, 
resulta que:
De la misma forma podemos escribir la relación que liga la sustentación y su coeficiente, el coeficiente de sustentación:
Variación de los coeficientes de sustentación y resistencia aerodinámica en función del ángulo de ataque
Como bien sabemos, una función es la relación entre dos variables, en este caso si hemos de estudiar los cambios de la sustentación y resistencia aerodinámicas, éstas tendrán relación con el ángulo de ataque de la sección.
Empezando por el coeficiente de sustentación digamos que cada sección aerodinámica presenta un comportamiento propio. No obstante, los cambios con el ángulo de ataque tienen la misma forma:
En la siguiente imagen podremos observar ejemplos de una aeronave en vuelo recto y nivelado, pero con velocidades del aire distintas:
La longitud del radio vector que parte del origen de coordenadas hasta un punto de la curva es igual al coeficiente de la fuerza aerodinámica resultante que actúa sobre el perfil (o sobre la ala, si la curva es del ala completa).
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| Variación típica del coeficiente de sustentación con el ángulo de ataque |
La zona a la derecha del coeficiente de sustentación, es el coeficiente de sustentación máximo que corresponde a una situación especial: se llama zona de pérdida aerodinámica, donde el coeficiente de sustentación disminuye de forma notable. Las alas de una aeronave con flujo en estas condiciones no pueden mantener la sustentación en el aire y se dice que la aeronave está en pérdida; pierde altura de forma más o menos acusada.
La sustentación total que produce una sección aerodinámica crece muy rápidamente con la velocidad del aire.En la siguiente imagen podremos observar ejemplos de una aeronave en vuelo recto y nivelado, pero con velocidades del aire distintas:
Curva de L/D
Es muy frecuente usar gráficos para representar características aerodinámicas de los perfiles. La ilustración nos muestra la variación entre los coeficientes de sustentación y resistencia dando resultado a su cociente (L/D), en función del ángulo de ataque. Son las llamadas curvas L/D que proporcionan una visión
directa de los coeficientes aerodinámicos del perfil.
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| Curva L/D de sección aerodinámica |
Curva Polar
La curva polar del perfil aerodinámico expresa la variación del coeficiente de sustentación en función del coeficiente de resistencia. Es llamada curva polar ya que la curva tiene dos propiedades cuando los coeficientes de sustentación y de resistencia se dibujan a la misma escala.
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| La curva polar es la relación entre los coeficientes de resistencia y sustentación |
La longitud del radio vector que parte del origen de coordenadas hasta un punto de la curva es igual al coeficiente de la fuerza aerodinámica resultante que actúa sobre el perfil (o sobre la ala, si la curva es del ala completa).
La tangente del ángulo formado por la línea radial trazada a la curva desde el origen y el eje de abscisas es igual a la relación entre los coeficientes de sustentación y resistencia (L/D) del perfil.
Centros de presión y aerodinámico
Las fuerzas aerodinámicas en la sección aparecen normalmente en forma de una resultante y un momento aerodinámico (momento de cabeceo) que tiende a subir o bajar el borde de ataque del perfil.
En el perfil, la componente vertical de la resultante aerodinámica multiplicada por una distancia es un momento que se denomina momento aerodinámico.
-La componente vertical de la resultante es la sustentación.
La presencia del momento aerodinámico se puede explicar si consideramos dos vectores principales R_{1} y R_{2} (sea R_{1}>R_{2}). Estos vectores resultan ser las resultantes de la distribución de presión a un lado y otro del perfil de curvatura positiva, con un cierto ángulo de ataque. Se observa que las fuerzas originan un momento en sentido contrario a las agujas del reloj también llamado momento de picado.
Por convenio de signos se consideran negativos los momentos con sentido contrario a las agujas del reloj (picado) y en sentido horario se consideran positivos (encabritamiento). Tanto uno como otro son momentos de cabeceo porque indican en la práctica que la proa del perfil gira hacia abajo o arriba.
Para el momento aerodinámico se obtiene una expresión similar a las de los coeficientes de sustentación y de resistencia con el coeficiente de momento.
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| La acción aerodinámica sobre el perfil se resuelve en la resultante aerodinámica y un momento de cabeceo |
Para el momento aerodinámico se obtiene una expresión similar a las de los coeficientes de sustentación y de resistencia con el coeficiente de momento.
| Donde c es una longitud característica del cuerpo. Para el perfil aerodinámico es la cuerda. |
Centro de presión
La componente normal a la cuerda del perfil de la resultante aerodinámica tiene, además de módulo, un punto de aplicación sobre la cuerda de la sección que se llama centro de presión.
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| La sustentación es la resultante |
El centro de presión se mide en porcentaje de la cuerda, a partir del borde de ataque.
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| Variación de la presión estática en función del ángulo de ataque |
Visto esto podemos sacar la conclusión que el centro de presión se adelanta a medida que aumenta el ángulo de ataque, y que se retrasa a medida que disminuye.
El momento aerodinámico tomado respecto al centro de presión es nulo , pues el vector resultante pasa por este punto.
Centro aerodinámico
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| Variación típica del coeficiente de momento de cabeceo de una sección aerodinámica respecto al borde de ataque, y al 25% de cuerda. |
Hemos visto que ela referencia de centro de presión implica el desplazamiento de este punto con los cambios del ángulo de ataque. También hay cambios en los momentos aerodinámicos tomados respecto a un punto fijo que sea distinto del centro de presión.
El centro aerodinámico se descubrió en ensayos experimentales que para la mayor parte de los perfiles aerodinámicos a baja velocidad de vuelo el coeficiente tomado respecto al 25% de la cuerda es aproximadamente constante con el ángulo de ataque.
En la siguiente gráfica podemos observar que nos muestra la variación de los coeficientes de momento de cabeceo de un perfil, tomados respecto al borde de ataque y respecto al 25% de la cuerda. La ilustración muestra asimismo el desplazamiento del centro de presión con el ángulo de ataque. Se observa, en efecto, que el coeficiente de momento tomado respecto al 25% de la cuerda se puede considerar prácticamente constante con el ángulo de ataque.
-Centro de ataque (c.a): Es el punto situado sobre la cuerda respecto al cual el coeficiente de momento de cabeceo es constante con el ángulo de ataque, es decir, es el pendiente del coeficiente de sustentación.
Características del centro aerodinámico (c.a.):
- El c.a. no se desplaza cuando varia el ángulo de ataque.
- El c.a. se obtiene por cálculo y experimentación. En vuelo subsónico está entre el 2% y el 25%.
- El c.a. es independiente del ángulo de ataque pero varía con el espesor de la sección (lo adelanta), números de Mach (lo retrasa) y de Reynolds (sin variación apreciable).
- El momento aerodinámico respecto al c.a. es nulo para perfiles simétricos, para todos los ángulos de ataque.
- El momento aerodinámico de cabeceo respecto al c.a. es nulo para perfiles simétricos, para todos los ángulos de ataque.
- El momento de cabeceo es negativo para perfiles con curvatura negativa.
- En perfiles supersónicos el c.a. se retrasa y se acerca a la mitad de la cuerda.
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| Sistema de fuerzas y momentos aerodinámicos que actúa sobren perfil determinado |
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