Ala bidimensional y ala real
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| Fig.3.1 Ala de envergadura finita |
El ala es un conjunto de secciones aerodinámicas. El ala en dos dimensiones, por lo tanto, es un conjunto infinito de secciones, llamada ala bidimensional (2D, ya que se extiende hasta el infinito), pues está definida hasta el infinito.
Así pues cuando hablamos del ala 2D se trata de estudiar la sección aerodinámica como tal, sus coeficientes, su capacidad para producir sustentación a altos ángulos de ataque….
En las alas de longitud finita (reales), los fenómenos importantes, se producen en los extremos donde los flujos de extradós e intradós interaccionan.
Dicho esto, hay que añadir que el ala real tiene una forma en planta que no suele ser rectangular, entonces las secciones aerodinámicas varían de un punto a otro a lo largo de ella. El ala real es finita, y sus extremos están sometidos a una nueva resistencia aerodinámica, llamada resistencia inducida.
Dicho esto, hay que añadir que el ala real tiene una forma en planta que no suele ser rectangular, entonces las secciones aerodinámicas varían de un punto a otro a lo largo de ella. El ala real es finita, y sus extremos están sometidos a una nueva resistencia aerodinámica, llamada resistencia inducida.
Geometría del ala
-Envergadura (b): Es la distancia entre las puntas del ala.
-Superficie alar (S): Es la superficie del ala en planta. Es la superficie de la prolongación del ala desde el encastre o unión del fuselaje hasta el eje de simetria del avión.
-Estrechamiento: Es la relación entre la cuerda en el extremo del ala y la cuerda central.
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| Fig.3.2 Estrechamiento del ala |
| La definición tiene en cuenta que el ala se compone de secciones aerodinámicas distintas |
-Alargamiento (A): Es la relación entre la envergadura y la cuerda media.
-Flecha del ala (
En el avión supersónico la flecha del ala de define directamente por el ángulo que forma el borde de ataque con la perpendicular al eje longitudinal del avión.
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| Fig.3.3 Definición del ala en el avión supersónico y subsónico (de izquierda a derecha) |
-Ángulo de incidencia: La línea de la cuerda del ala puede estar inclinada respecto al eje longitudinal de la aeronave. Ángulo de incidencia es formado por la cuerda y ele eje longitudinal del fuselaje.
-Ángulo de ataque (
): Es el ángulo formado por la dirección del vector "velocidad del aire" y la línea de la cuerda del ala. No se deben confundir los ángulos de cabeceo y ascenso.
El ángulo de cabeceo es el ángulo formado por el eje longitudinal del avión y la línea de horizonte.
El ángulo de cabeceo es también conocido como ángulo de actitud.
El ángulo de cabeceo es el ángulo formado por el eje longitudinal del avión y la línea de horizonte.
El ángulo de cabeceo es también conocido como ángulo de actitud.
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| Fig.3.4 Ángulo de ataque, ángulo de ascenso y ángulo de cabeceo "actitud de la aeronave" |
Pérdida aerodinámica
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| Fig.3.5 Capa límite y ángulo de ataque |
Podemos definir la pérdida aerodinámica como la caída repentina de la sustentación cuando el ángulo de ataque alcanza un cierto valor. Este fenómeno ocasiona una disminución de la fuerza vertical dirigida hacia arriba que actúa en el avión. Es una situación que puede ser crítica desde el punto de vista de la seguridad de vuelo dado que la aeronave pierde la fuerza que lo mantiene en sustentación. Si el avión tiene terreno para recuperar la condición norma de vuelo, saldrá de la pérdida con sustentación.
Aquí es donde actúa la capa límite la cual encuentra muchas dificultades para permanecer adherida a la superficie superior del perfil conforme aumenta el ángulo de ataque. Es un momento en el que la cuerda se inclina tanto respecto al vector de velocidad del viento que se produce la separación de la corriente.
Una vez dicho esto, nos interesa conocer la velocidad mínima de operación normal para cada condición de vuelo del avión. Por lo tanto la pregunta es: ¿A qué velocidad entra la aeronave en pérdida?
De hecho no existe una velocidad en la que todas las aeronaves caen en pérdida, sino que ésta depende de la condición de la aeronave.
La determinación de la velocidad de pérdida se obtiene fácilmente con el vuelo recto y nivelado.
En un movimiento rectilíneo uniforme no acelerado (MRU), el motor suministra un empuje T (Throttle) que es igual a la resistencia aerodinámica total del avión D (Drag).
Por su parte el peso de la aeronave W (Weight) es equilibrado por la sustentación L (Lift).
Por consiguiente podemos escribir que L=W, de esta forma:
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| Fig.3.5 Fuerzas que actúan sobre el avión en vuelo MRU |
Por consiguiente podemos escribir que L=W, de esta forma:
| Donde V es la velocidad verdadera del avión |
La velocidad mínima de vuelo se obtiene cuando el coeficiente de sustentación (C_{L}) alcanza su valor máximo, por lo tanto:
Y si despejamos V, obtendremos la velocidad de pérdida:
Por lo tanto podemos deducir que la velocidad verdadera V depende de la densidad del aire y, por lo tanto, de la altitud (MRU).
Factor carga
Se llama factor de carga de la aeronave, o carga debida a la aceleración de la gravedad g, a la relación n=L/W.
Para un MRU, n=1, el factor de carga es igual a la unidad. Entonces la aeronave esta sometida a una carga de 1g.
Velocidad de pérdida y carga alar
La relación W/S se llama carga alar, y expresa la carga de sustentación que soporta el ala por unidad de superficie (kg/m^{2})
Carga alar típica para distintos aviones en despegue. (kg/m^{2})
Veleros 30
Monomotor hélice 85
Bimotor hélice 130
Turbohélice 200
Avión de caza 320
Avión comercial 500
Torbellinos del ala
Un torbellino es una masa de aire que gira alrededor de sí misma; el eje alrededor del cual gira la masa de aire se llama línea de torbellino. Podemos distinguir los torbellinos en tres bloques:
a) Torbellinos de punta de ala.
b) Torbellinos ligados del ala.
c) Torbellino inicial.
Los torbellinos de punta de ala y inicial, tienen existencia real, se observan con mayor o menor facilidad. Sin embargo, los torbellinos ligados del ala no existen, son una ficción matemática que emplea el ingeniero para completar la circulación real que produce el ala.
Recordemos que la presión estática del aire en la parte superior del perfil es menor que en la inferior, como resultado de la aceleración de la corriente sobre el extradós. Los procesos físicos que se desarrollan en el ala real son parecidos. En vuelo, en el intradós se establece una corriente de aire de mayor presión estática que en la parte superior, extradós. Por tanto existe una tendencia natural de la corriente de aire que circula por debajo del ala (intradós) a rodear los bordes de la misma y pasar a la parte superior.
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| Fig.3.6 La presión en el intradós ha de ser mayor que en el extradós para conseguir sustentación |
Torbellinos de punta de ala
En el flujo que rodea los bordes del ala forma un remolino al girar sobre las puntas. El remolino representa la tendencia del flujo para pasar desde la superficie inferior a la superior. El conjunto se denomina torbellinos de punta de ala o torbellinos libres.
Los torbellinos de punta de ala introducen efectos singulares en el flujo que pasa por ella.
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| Fig.3.7 Esquema de perfil de velocidad vertical detrás de los torbellinos de punta del ala |
La aeronave produce una serie de torbellinos de punta de ala, que giran en el sentido de las flechas, de acuerdo con la presión estática que hay debajo y arriba del ala. Los torbellinos de la parte derecha giran en sentido anti horario y los de la parte izquierda, en sentido horario.
Si observamos el flujo de aire en el extradós y en el intradós vemos que pasa sobre la superficie superior del ala, que tiende a irse hacia el eje central de la misma, debido a la componente de velocidad de giro en los torbellinos de punta de ala. A la inversa, el flujo de aire que pasa por la superficie inferior del ala tiende a la divergencia respecto al eje central del ala.
-Convergencia: Tendencia a unir dos (o más) puntos a uno solo.
-Divergencia: Dicho de dos o más líneas o superficies: Irse apartando sucesivamente unas de otras.
Si observamos el flujo de aire en el extradós y en el intradós vemos que pasa sobre la superficie superior del ala, que tiende a irse hacia el eje central de la misma, debido a la componente de velocidad de giro en los torbellinos de punta de ala. A la inversa, el flujo de aire que pasa por la superficie inferior del ala tiende a la divergencia respecto al eje central del ala.
-Convergencia: Tendencia a unir dos (o más) puntos a uno solo.
-Divergencia: Dicho de dos o más líneas o superficies: Irse apartando sucesivamente unas de otras.
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| Fi.3.8 Convergencia y divergencia del flujo que pasa sobre el ala como consecuencia de los torbellinos de punta de ala |
La intensidad de los torbellino disminuye con la distancia a la aeronave que los ha formado ya que la viscosidad del aire actúa como factor de amortiguación de la turbulencia.
Flujos ascendente y descendente ("Upwash" y "Downwash")
El movimiento del aire delante y detrás del avión, en su eje longitudinal, es como el representado en la siguiente imagen:
turbuli.png) |
| Fig.3.9 Efectos físicos que producen los torbellinos en combinación con los de punta de ala |
El resultado es que delante del avión hay un movimiento ascendente del aire ("upwash") y detrás un movimiento descendente ("downwash").
torboli.png) |
| Fig.3.10 Los vectores verticales indican el "Upwash" (hacia arriba) y el "Downwash" (hacia abajo) |
No hay compensación en los flujo ascendente y descendente en el ala real, de envergadura finita. Quiere decirse que el flujo descendente del avión, no vuelve a la línea longitudinal A.A sino que se mantiene a una velocidad del aire u en dirección hacia abajo bien definida.
La componente de velocidad hacia abajo (u), permite la nueva explicación (real) de la sustentación aerodinámica si el problema físico se contempla desde la segunda ley de Newton.
Turbulencia de estela
Los torbellinos de punta de ala se extienden varios kilómetros detrás del avión, y hacia abajo, en particular si la aeronave es de gran envergadura y origina torbellinos de alta intensidad. La turbulencia que dejan estos torbellinos se conoce como turbulencia de estela.
La intensidad de los torbellino de punta de ala es directamente proporcional a la envergadura del ala y el peso del avión, e inversamente proporcional a la velocidad de vuelo.
Las aeronaves emplean altos coeficientes de sustentación durante el despegue y el aterrizaje porque vuelan a baja velocidad, de manera que la turbulencia de estela que deja el avión detrás puede ser máxima. Esto explica la necesidad de mantener una secuencia temporal en el curso de las operaciones de despegue entre dos aviones consecutivos que puede limitar la capacidad de operaciones del aeropuerto (número de despegues y aterrizajes por hora).
Dispositivos de alta sustentación
Los vuelos comerciales deben efectuarse a altas velocidades de crucero y tener un gran alcance (radio de acción). Conviene, pues, dotar a la aeronave con sistemas aerodinámicos que permitan el vuelo a baja velocidad, duran e el despegue y aterrizaje, pero sin comprometer la fase de crucero de alta velocidad. Son los sistemas hipersustentadores o dispositivos de alta sustentación. Son mecanismos extensibles cuando se precisan a baja y que pueden replegarse cuando no son útiles, cuando la velocidad del avión es moderada o alta.
La ventaja de operar con un valor alto de coeficiente de sustentación en operaciones de despegue y aterrizaje la podemos observar en la siguiente imagen:
La velocidad de pérdida V_{s} es la referencia para otras velocidades mínimas que imponen los códigos aeronáuticos. Por tanto si multiplicamos la velocidad de pérdida por los factores de seguridad reglamentarios podemos ver que la velocidad del avión respecto al suelo puede ser excepcionalmente alta, incluso restando esos 10 o 15 nudos de viento en cara que puede haber durante el despegue o aterrizaje.
La ventaja de operar con un valor alto de coeficiente de sustentación en operaciones de despegue y aterrizaje la podemos observar en la siguiente imagen:
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| Fig.3.11 Variación de la velocidad de pérdida (en nudos) |
La velocidad de pérdida V_{s} es la referencia para otras velocidades mínimas que imponen los códigos aeronáuticos. Por tanto si multiplicamos la velocidad de pérdida por los factores de seguridad reglamentarios podemos ver que la velocidad del avión respecto al suelo puede ser excepcionalmente alta, incluso restando esos 10 o 15 nudos de viento en cara que puede haber durante el despegue o aterrizaje.
La sustentación del ala puede incrementar de tres formas, que pueden combinares en una aplicación particular:
a) La forma clásica, aumento del ángulo de ataque del ala.
b) Mediante el aumento de la curvatura del ala, esto es, cambiando su geometría por medios mecánicos.
c) Mediante el aumento de la superficie alar.
Los mecanismos que efectúan estas operaciones son slats y flaps.
La función es la misma pero el comportamiento distinto.
El slat opera bajo la custodia del primer principio a.
Los flaps operan según los principios b y c.
Los mecanismos que efectúan estas operaciones son slats y flaps.
La función es la misma pero el comportamiento distinto.
El slat opera bajo la custodia del primer principio a.
Los flaps operan según los principios b y c.
Slat
La velocidad de pérdida para un ala de geometría fija se obtiene cuando el coeficiente de sustentación es máximo.
En el curso de maniobras a baja velocidad es preciso aumentar el ángulo de ataque para obtener mayor sustentación. El problema es que con un ala sin dispositivos de alta sustentación no se puede volar a bajas velocidades con un gran ángulo de ataque (despegue y aterrizaje).
El slat es una aleta auxiliar situada en la zona del borde de ataque del ala.
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| Fig.3.12 |
En vuelo se forma una ranura entre la aleta y el borde de ataque del ala de manera que el aire puede pasar a través. El aire que pasa por la ranura procede de la parte inferior del ala; por tanto proviene de una zona de alta presión estática si se compara con la del flujo de la parte superior donde la presión es menor. La infiltración de aire de mayor energía cinética en la capa límite del extradós del ala retrasa la separación de la corriente de dicha zona, hasta un ángulo de ataque más alto, y por tanto el coeficiente de sustentación máximo aumenta.
Se puede decir que el slat es un "retardador" de la separación de la corriente, de la pérdida en una palabra, un dispositivo que permite volar el avión a mayor ángulo de ataque y pro tanto a menor velocidad.
Esta función nos muestra de forma esquemática el coeficiente de sustentación de un ala con el slat extendido y plegado. La línea de variación del coeficiente de sustentación con el ángulo de ataque es prácticamente la misma; el cambio se produce a partir del momento en que se extienden los slats.
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| Fig.3.13 Efecto del Slat en el flujo sobre el extradós del ala. Fíjense en la estabilización de la corriente sobre una mayor parte del extradós |
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| Fig.3.14 Efectos típicos del slat en el coeficiente de sustentación |
El slat fijo tiene un inconveniente, cuando el avión vuela a la velocidad de crucero presenta resistencia al avance excesiva.
Los llamados slats automáticos se extienden delante del borde ataque del ala cuando la succión que se origina en esa zona alcanza un cierto valor. La fuerza de succión es mayor llegado ese punto y extiende la aleta y se mantiene en posición hasta que desaparezca la fuerza de fricción. También existen slats que se accionan con sistemas eléctricos y mecánicos.
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| Fig.3.15 Extensión de slat automático por medio de la fuerza aerodinámica (succión) que se origina en el borde de ataque |
Ala ranurada ("Slot")
Hay alas que tienen el borde de ataque rasurado ("slot"). Es una ranura que cumple la misma función con el slat. Se trata de un perfil rasgado, desde el intradós hasta el extradós, que permite la comunicación fluida de la parte inferior del ala con la superior.
Flaps
Los flaps son aletas aerodinámicas que se extienden en el borde de salida y/o borde de ataque del ala, durante el vuelo a baja velocidad. La longitud de cuerda de los flaps suele ser de un 30% ,aproximadamente, de la cuerda alar.
Los flaps aumentan la sustentación por dos vías:
- Aumento de la curvatura del ala. Cuando baja el flap y se extiende hacia atrás aumenta la curva geométrica del perfil. La circulación aumenta, haya más succión (sustentación) en el dorso del ala.
- Aumento de la superficie alar, variable de la que depende L.
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| Fig.3.16 Flaps (arriba) de borde de salida, sistema de flaps Fowler con slats y slots (abajo) |
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| Fig.3.17 Comparación flap de borde de salida y slat |
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| Fig.3.18 Variación del coeficiente de sustentación en ensayos aerodinámicos de un ala con slats y flaps Fowler de borde de salida |
Spoilers
Los spoilers son aletas auxiliares que se extienden al viento en el extradós del ala. Tienen tres funciones en la aeronave.Los spoilers se extienden a modo de tabique en la corriente de aire para disminuir muy rápidamente la sustentación que produce el ala. Ademas, proporcionan un medio de control de la inclinación del avión (alabeo) si se operan de forma independiente.
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| Fig.3.19 Esquema de un spoiler rompiendo la capa límite |
El resultado es que el avión se apoya más firmemente sobre las ruedas, no va dando saltos por la pista, y la acción de frenada es más efectiva pues aumenta el coeficiente de rozamiento de los neumáticos con el suelo.
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