2 LA AERONAVE
2.1 AERODINÁMICA BÁSICA
Convocatoria de controladores de la circulación aérea 2008
2. La aeronave
ÍNDICE Página 1. Introducción
3
2. Principios de vuelo
4
3. Alas y perfiles
5
4. Fuerzas que actúan sobre un avión
7
5. Interacción de fuerzas
10
6. Viento relativo y ángulo de ataque
11
7. Densidad del aire
12
8. Entradas en pérdida
14
9. Factor de carga
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2.1. Aerodinámica básica 2
2. La aeronave
1. INTRODUCCIÓN Propósito
En esta unidad vamos a desarrollar los principios básicos de la aerodinámica, ciencia que estudia el origen y aplicación de las fuerzas aerodinámicas L y D sobre una aeronave. Asimismo, el alumno conocerá el concepto de entrada en pérdida.
Objetivos Al finalizar esta unidad, el alumno deberá ser capaz de comprender:
Los principios del vuelo. Las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo. Los peligros que originan una errónea aplicación de dichas fuerzas.
Contenido En esta unidad se tratarán los siguientes conceptos:
Principios de vuelo. Alas y perfiles. Fuerzas sobre la aeronave. Interacción de fuerzas. Viento relativo y ángulo de ataque. Densidad del aire. (Altitud/densidad) Entradas en pérdida. Factor de carga.
2.1. Aerodinámica básica 3
2. La aeronave
2. PRINCIPIOS DE VUELO 2.1. Principio de Bernouilli. Tubo Venturi Establece que, si a través de un tubo Venturi, una corriente de aire o fluido en movimiento aumenta su velocidad, la presión disminuye.
El principio de Bernouilli aplicado a una aeronave significa que, al encontrar una corriente de aire un perfil de ala, el aire aumenta su velocidad sobre la superficie exterior del ala (extradós) disminuyendo su presión. Sin embargo, el aire disminuye su velocidad sobre la superficie inferior del ala (intradós) aumentando su presión. Esta diferencia de presiones origina la sustentación.
El principio de Bernouilli se visualiza en el siguiente gráfico:
2.1. Aerodinámica básica 4
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3. ALAS Y PERFILES 3.1. Ala de un avión. Perfil del ala Un ala es una superficie diseñada para producir sustentación cuando el aire se mueve a través de ella. Un perfil del ala es la superficie que aparece al seccionar perpendicularmente a un ala.
Perfil simétrico: Ambos, intradós y extradós, son iguales y simétricos y, por tanto, su curvatura media es nula.
Perfil asimétrico: Su intradós y extradós son distintos y, por tanto, su curvatura media no es una recta sino una curva.
Curvatura media: Es la línea equidistante entre el extradós y el intradós.
2.1. Aerodinámica básica 5
2. La aeronave
Vamos a ver el principio de Bernouilli aplicado a un perfil del ala.
El aire que circula a través del extradós del ala, desde el borde de ataque al borde de salida, llega al mismo tiempo que el aire que circula a través del intradós.
La mayor velocidad sobre el extradós produce una depresión en el mismo.
La menor velocidad sobre el intradós produce una sobrepresión en el mismo. -
Esta diferencia de presión entre extradós e intradós produce la fuerza aerodinámica que dará lugar a la sustentación.
2.1. Aerodinámica básica 6
2. La aeronave
4. FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN AVIÓN 4.1. Fuerza Es toda causa que modifica el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. La siguiente figura muestra las fuerzas sobre un avión en vuelo:
4.2. Clasificación de las fuerzas
Fuerzas Aerodinámicas:
Sustentación (L) Resistencia (D)
Fuerzas Propulsivas:
Empuje (T)
Fuerzas Gravitatorias:
Peso (W)
Estas fuerzas básicas actúan a lo largo de todo el vuelo.
Las distintas fases del vuelo: Despegue, ascenso, vuelo crucero, viraje, descenso y aterrizaje, son el resultado de la generación y modificación de estas fuerzas.
Conocer la aerodinámica básica permite al controlador evaluar las tareas que el piloto debe realizar para conseguir hacer despegar a una aeronave, mantenerla en vuelo y aterrizarla.
Las fuerzas que actúan sobre una aeronave se pueden definir de la siguiente manera:
2.1. Aerodinámica básica 7
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Sustentación: Es la fuerza aerodinámica producida por una aeronave moviéndose a través del aire y que es perpendicular a la trayectoria de la aeronave. Resistencia: Es la fuerza aerodinámica producida por una aeronave moviéndose a través del aire y que es paralela a la trayectoria de la aeronave y en sentido opuesto. Peso: Es la fuerza producida por la atracción gravitatoria de la tierra. Su dirección y sentido es vertical hacia el centro de la tierra. Empuje: Es la fuerza proporcionada por la planta de potencia de la aeronave (motores a reacción o hélice) y que desplaza el avión hacia adelante a través del aire. Vamos a analizar brevemente cada fuerza por separado: Sustentación y resistencia:
Como se ha dicho, estas fuerzas son aerodinámicas y son originadas por el movimiento de una aeronave en el aire, o al revés, por el movimiento del aire alrededor de una aeronave.
Todo cuerpo en presencia de una corriente de aire genera una fuerza aerodinámica.
La fuerza aerodinámica es la presión estática neta resultante multiplicada por el área del cuerpo. (Recordar Bernouilli).
El siguiente gráfico ilustra lo anterior para el caso específico de un ala de avión: Sustentación
Fuerza Aerodinamica
ALA
Resistencia
La sustentación es la componente de la fuerza aerodinámica (FA) perpendicular al viento relativo o trayectoria y contrarresta el peso de la aeronave.
La resistencia es la componente paralela a la trayectoria y que se opone al movimiento.
2.1. Aerodinámica básica 8
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Peso:
Esta fuerza es debida a la gravedad o atracción de la tierra sobre la masa de un cuerpo.
El peso es pues una fuerza (no aerodinámica) variable en función de la posición del cuerpo en el espacio y según varíe la masa del cuerpo.
En el caso de la aviación comercial y del transporte, sólo se considera la variación del peso de la aeronave en función del consumo de combustible. La atracción de la gravedad se supone constante.
Empuje:
El empuje es una fuerza (propulsiva) originada en la planta de potencia de la aeronave.
El empuje se obtiene por la 3ª ley de Newton, que establece que a toda fuerza activa se opone otra fuerza reactiva igual y opuesta, y por la 2ª ley, que establece que una fuerza que actúa sobre una masa la acelera en la dirección de la fuerza.
La fuerza de los motores reactores de aviación es proporcionada por la expansión de los gases que se queman en el motor y la masa es la masa de aire que pasa a través del motor reactor (o de la hélice en el caso de los motores turbohélice). La aceleración es la variación de la velocidad del aire.
2.1. Aerodinámica básica 9
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5. INTERACCIÓN DE FUERZAS Vamos a ver a continuación la interacción de estas fuerzas, pues las características de vuelo del avión dependen de estas interacciones. Para comprender la interacción entre las fuerzas y su influencia características del vuelo debemos recordar la 1ª y 2ª leyes de Newton.
en
las
Si las fuerzas L, W, T y D se encuentran en equilibrio, el avión mantiene una velocidad uniforme y un nivel de vuelo uniforme. Si alguna de ellas varía, las características del vuelo cambian.
Cuando el empuje T excede a la resistencia, la velocidad de la aeronave aumentará y el avión acelerará horizontalmente, siempre que la sustentación y el peso estén equilibrados.
Cuando la resistencia excede al empuje, el avión decelerará horizontalmente, siempre que el peso y la sustentación estén equilibrados.
Cuando la sustentación excede al peso el avión ascenderá.
Cuando el peso excede a la sustentación el avión descenderá.
2.1. Aerodinámica básica 10
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6. VIENTO RELATIVO Y ÁNGULO DE ATAQUE Cuerda Borde de ataque
Trayectoria aeronave Angulo de ataque
Borde de salida
Viento Relativo
6.1. Viento relativo: El viento relativo es la dirección del flujo de aire que le llega a un perfil del ala debido al movimiento de la aeronave. Su dirección es siempre paralela a la trayectoria de la aeronave y en sentido opuesto a la misma. 6.2. Cuerda: La línea de la cuerda (o cuerda) es una línea recta imaginaria que une el borde ataque con el borde de salida de un perfil o sección transversal del ala. 6.3. Ángulo de ataque: El ángulo de ataque es el ángulo agudo comprendido entre la dirección del viento relativo incidente y la cuerda del perfil.
VR
Vuelo Ascendente
Vuelo Nivelado VR
= Angulo de Subida
= A. O. A.
= A. O. A.
El gráfico muestra como a diferentes condiciones de vuelo (vuelo nivelado y subido) el ángulo de ataque puede ser el mismo y no debe confundirse con el ángulo de subida.
2.1. Aerodinámica básica 11
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7. DENSIDAD DEL AIRE 7.1. Presión, temperatura y densidad Las propiedades más importantes del aire que afectan al comportamiento aerodinámico son la presión, temperatura y densidad.
El siguiente gráfico (ver tabla I.S.A - Pág. 17) representa la variación de estas propiedades con la altura en la atmósfera estándar definida por OACI.
Como dato representativo, a 18.000 pies de altura la presión es la mitad que al nivel del mar y a 22.000 pies la densidad es la mitad.
Se observa que para cada ascenso de 1.000 pies, la temperatura disminuye unos 2ºC, permaneciendo constante a partir de los 36.000 pies con un valor de -56, 5ºC.
7.2. Densidad La densidad del aire es la propiedad más importante para la aerodinámica y se define como la masa del aire por unidad de volumen. Se representa por la letra ρ .
Las fuerzas aerodinámicas que se originan sobre el avión, sustentación y resistencia, dependen del valor de la densidad del aire.
El aire se puede considerar como un gas perfecto y, por la ley universal de los gases, se deduce que su densidad es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura.
7.3. Altitud Densidad La altitud densidad es aquella que correspondería en la ISA a una determinada densidad del aire.
La densidad del aire decrece cuando la temperatura, altitud y humedad aumentan. -
Cuando la densidad del aire decrece (altitud densidad alta) las actuaciones de la aeronave disminuyen.
-
Cuando la densidad del aire crece (altitud densidad baja) las actuaciones de la aeronave aumentan.
La altitud densidad es el factor más importante que afecta a las actuaciones de la aeronave, pues está relacionada con: -
La potencia del motor (Empuje).
-
La capacidad de sustentación.
Una combinación de alta temperatura, alta altitud y alta humedad hacen crítica la maniobra de despegue.
2.1. Aerodinámica básica 12
2. La aeronave
La velocidad del aire es un parámetro decisivo para obtener sustentación en un ala.
Un incremento en la velocidad produce un incremento en la sustentación.
-
Recordando el principio de Bernouilli a más velocidad en extradós => menor presión => mayor sustentación.
-
A mayor velocidad => mayor diferencia de presiones entre extradós e intradós => mayor sustentación.
Cae fuera del alcance de este curso la obtención de la fórmula de la sustentación como fuerza aerodinámica, pero al objeto de simplificar y tener una idea conceptual del efecto de los parámetros vistos hasta ahora (v, ρ, α), se indica dicha fórmula, expresada en función de dichos parámetros: L= sustentación = K v K = cte. v =velocidad
2
ρα
ρ = densidad α = ángulo de ataque
Cuanto mayores sean v, ρ, α el avión consigue mayor sustentación.
A una misma velocidad y ángulo de ataque, la sustentación es mayor al nivel del mar que en altitudes superiores.
Para una misma sustentación y nivel de vuelo cuanto menor sea la velocidad mayor ángulo de ataque se necesita.
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8. ENTRADAS EN PÉRDIDA 8.1. Pérdida de sustentación El mayor peligro, y a la vez la causa más común de accidente de una aeronave, es la pérdida de sustentación.
La pérdida de sustentación se produce cuando el ala no proporciona la suficiente sustentación para seguir manteniendo el avión en vuelo.
La pérdida de sustentación se produce siempre al sobrepasar el ángulo de ataque crítico.
La entrada en pérdida de una aeronave puede producirse a cualquier altitud y en cualquier situación.
La pérdida se produce porque, al sobrepasar el ángulo de ataque crítico, la corriente de aire sobre el extradós del ala no fluye de forma continua, produciéndose torbellinos, y la corriente no queda adherida al ala. Esto produce una pérdida repentina de sustentación y un aumento de resistencia.
Si el ángulo de ataque aumenta mucho (por encima del ángulo crítico) o la velocidad disminuye por debajo de la velocidad de pérdida, el avión entra en pérdida.
Sin embargo, el piloto aterriza la aeronave dejándola entrar en pérdida a muy poca altura sobre la pista.
NOTA:
El alumno debe recordar en todo momento que, velocidad de vuelo y ángulo de ataque, son dos magnitudes variables, íntimamente relacionadas e inversamente proporcionales. - A mayor velocidad => menor ángulo de ataque. - A menor velocidad => mayor ángulo de ataque.
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2. La aeronave
Por tanto: Si la velocidad de vuelo de la aeronave es pequeña, el ángulo de ataque necesario deberá ser tan grande que sobrepasa al ángulo de ataque crítico, y por lo tanto el avión entrará en pérdida.
Las maniobras bruscas o repentinas pueden producir cambios en el ángulo de ataque. Así un cambio de dirección puede producir incrementos de sustentación que, al requerir un ángulo tan grande, provocará la entrada en pérdida.
Las situaciones más susceptibles de entrada en pérdida son:
Durante el despegue.
Durante la aproximación final.
A bajas velocidades.
En virajes.
En turbulencia. -
El ángulo de entrada en pérdida es constante y no depende de la actitud del avión ni del peso, sino que es función de cada tipo de perfil alar. Así, para un ala dada, es decir un avión dado (p. ej. B-727), si no se cambia la curvatura del ala y por tanto no se modifica su perfil, el ángulo de ataque crítico es fijo.
-
La velocidad de pérdida no es constante y depende del peso o de la altura. A mayor peso la velocidad de pérdida aumenta y a mayor altura también.
-
Para conseguir sustentación suficiente a velocidades bajas, o en actitudes que implicarían sobrepasar el ángulo de ataque crítico, se emplean dispositivos que modifican la curvatura del perfil (Flaps) con lo que se consigue mayor sustentación para el mismo ángulo de ataque.
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9. FACTOR DE CARGA El factor de carga se define como la relación entre la sustentación y el peso.
La siguiente figura muestra las fuerzas que actúan sobre un avión en un viraje coordinado y a altura constante.
Sustentación
Sustentación efectiva
Angulo de inclinación
Peso
-
En vuelo horizontal la sustentación equilibra el peso y se opone a éste.
-
En viraje, la componente vertical de la sustentación es la que equilibra el peso.
Por tanto, para hacer un viraje manteniendo la altura, la sustentación total deberá aumentar hasta que su componente efectiva iguale al peso.
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