Com volen els avions? by Escola jaume Viladoms

AGRAÏMENTS Abans de la presentació del nostre treball volem agrair al nostre tutor del projecte, Marcel Torras, per tota la seva ajuda i dedicació que ha fet possible la nostra recerca. Agrair als pares tota la ajuda en la nostra part pràctica així com tots els consells i objeccions que ens han donat. Per últim, agrair als membres de l’escola de vol CESDA per concedir-nos una entrevista per poder aclarir part del nostre treball. Sense ells tot això no hagués estat possible!

Índex 1. Introducció..................................................................................................4 2. Història dels avions....................................................................................5 2.1. Inicis......................................................................................................5 2.2. Efectes de les Guerres Mundials........................................................7 2.3. Transport aeri.......................................................................................9 3. Per que vola un avió?................................................................................11 4. Estructura bàsica d’un avió......................................................................29 4.1. Fuselatge.............................................................................................29 4.2. Ales......................................................................................................29 4.3. Cua.......................................................................................................30 4.4. Motor....................................................................................................31 4.5. Tren d'aterratge..................................................................................32 5. Tipus d’avions...........................................................................................34 5.1. Avions comercials.............................................................................34 5.2. Avions militars...................................................................................34 5.3. Avions privats....................................................................................35 5.4. Avions amb hèlix...............................................................................35 6. Seguretat....................................................................................................36 7. Manteniment..............................................................................................48 7.1. Manteniment en Línia........................................................................48 7.2. Manteniment Menor...........................................................................49 7.3. Manteniment Major.............................................................................49 8. Part pràctica...............................................................................................52 8.1. Què és un túnel de vent?...................................................................52 8.2. Disseny i construcció d’un túnel de vent a escala..........................57 8.3. Visita CESDA.......................................................................................63 9. Conclusions................................................................................................64 10. Bibliografia.................................................................................................65

1. Introducció Des de la existència de la humanitat, l’esser humà ha tingut sempre un somni, el somni de volar. Sempre ens hem fixat en tot el que ens envolta i ho hem volgut imitar i aquest és el nostre cas.

El tema que hem triat està relacionat amb la branca de batxillerat que hem escollit, el científic, que ens ajudarà en la nostra recerca pel que fa a temes físics i matemàtics.

El treball que hem escollit està enfocat en el tema dels avions. Un projecte que es basa en la recerca d’una qüestió que tothom es fa: Com volen els avions?

Creiem que és aquella necessitat de superar-nos cada vegada més la que ens ha portat a ser cada vegada millors i a aconseguir reptes que per els nostres avantpassats semblaven impossibles. Aquesta ambició d’entendre cada vegada més tot el que ens envolta es la que ens farà se bons científics, una gran comunitat amb una gran importància per a la evolució humana.

El nostre propòsit en aquest projecte es la investigació del món de l’aviació i les lleis físiques que participen en el vol. Per a una vista més visual del nostre projecte dissenyarem i construirem un túnel de vent.

2. Història 2.1. Inicis Juntament amb la seva capacitat per pensar, l'home va observar des d'un principi el vol de les aus. El seu somni va ser sempre poder imitar-les. Aquest somni va començar a plasmar-se cap al segle V de la nostra era quan va aparèixer el primer artefacte volador fabricat per l'home. Al segle XIII el monjo anglès Roger Bacon, després d'anys d'estudi, va arribar a la conclusió que l'aire podria suportar un enginy com l'aigua suporta un vaixell. Es podria dir que la història de l'avió, o més precisament de l'aviació, comença com a tal des de l'edat mitjana amb la creació del primer aparell volador de Abbàs Ibn Firnas, o més endavant, cap al 1500, amb els estudis de Leonardo Da Vinci. En efecte, al començament del segle XVI Leonardo da Vinci es va preocupar d'analitzar el vol dels ocells i va anticipar diversos dissenys que després van resultar realitzables. Entre les seves importants contribucions al desenvolupament de l'aviació es troben el cargol aeri o hèlix i el paracaigudes.

Després vindria el desenvolupament de l'aviació amb artefactes més lleugers que l'aire, com el globus, però no seria sinó fins a finals del segle XIX que començaria el desenvolupament de l'avió.

Després d'innombrables intents fracassats i després d'anys d'investigacions, arriba el 1890 la creació del primer avió pròpiament dit per Clément Ader (1841-1926) anomenat "EOLE" que va volar a una alçada de 20 cm i va recórrer una distància de 50 metres. El 1903 encara no s'havien aconseguit l'estabilitat i el control necessaris per a un vol perllongat, però els coneixements aerodinàmics i sobretot l'èxit dels motors de gasolina, que van substituir als més pesats de vapor, permetrien que l'aviació evolucionés amb rapidesa. I és aquí on entren en escena els famosos germans Wright, dos americans d'Ohio, coneguts com els pares de l'aviació, que aplicant i millorant els coneixements i avenços dels seus predecessors van aconseguir el primer vol controlat de la història. El dia 17 de desembre de 1903, a l'estat de Carolina del Nord, els germans nordamericans Wilbur i Orville Wright van realitzar el primer vol pilotat d'una aeronau més pesada que l'aire propulsada per motor. Van aconseguir volar a una alçada de 12 metres i recórrer 36 metres de distància.

Passat un any d'aquesta proesa van superar aclaparadorament

la seva marca,

aconseguint recórrer 38 Km. Un nou avanç va ser el del brasiler Alberto Sants-Dumont que el 1906 va realitzar públicament el primer vol d'un avió que podia volar pels seus propis mitjans, a diferència del dels germans Wright, que necessitava l'ajuda externa d'una catapulta per poder iniciar el vol.

El 1915 es realitzen les primeres proves amb un avió fabricat enterament de metall i el 1919 es realitza el primer vol transatlàntic amb escales entre Canadà i Irlanda. Vuit anys més tard es dóna el mític vol en solitari de Charles Lindbergh des de Nova York a París sense escales. Durant els anys posteriors a la Primera Guerra Mundial es van realitzar grans progressos tant en el disseny dels aeroplans com dels motors.

2.2. Efectes de les Guerres Mundials Irònicament, les dues guerres mundials van ser un factor fonamental per al desenvolupament de l'aviació i portar al que és avui en dia. Durant la Primera Guerra Mundial es van utilitzar aeroplans i aeronaus lleugeres per reconeixement, atac i bombardeig. Durant els quatre anys que va durar el conflicte bèl·lic es van construir més avions i es van entrenar més pilots que en els 13 anys que van passar des del primer vol. A més, un cop finalitzada la guerra gran part de l'excedent bèl·lic va ser comprat i utilitzat per aviadors, la majoria formats durant la guerra, per treure profits econòmics com transport de passatgers, fotografia aèria, propaganda, vols d'instrucció, carreres aèries i exhibicions acrobàtiques.

Ja entre 1930 i 1940 van créixer ràpidament els vols transoceànics i de passatgers i les marques es van anar reduint any rere any.

En la Segona Guerra Mundial la importància de l'aviació va ser preponderant per als objectius bèl·lics, el que va derivar en un avenç en el desenvolupament de les tecnologies i un creixement del nombre d'avions fabricats. Acabada la guerra la producció d'avions militars es va reduir dràsticament, creixent les comandes d'avions civils. Com a exemple als Estats Units, per al final de 1945 havien comandes per construir 40.000 avions en contrast amb els 6.844 de 1941. Des d'aquí en més els avenços es van succeir un darrere l'altre, arribant a la realitat que vivim avui en dia.

2.3. Transport aeri A Europa l'avió va ser usat per a transport de passatgers l'any 1919, mentre que als Estats Units els primers vols de l'aviació comercial es van dedicar principalment al correu. Els vols de passatgers van augmentar en rutes com la de Londres a París, es van introduir als Estats Units a partir de 1927 i van créixer més ràpid gràcies a l'aparició d'avions segurs i confortables com el Douglas DC-3. Poc després van aparèixer els avions quadrimotors que podien volar encara més de pressa, pujar més alt i arribar més lluny. El següent pas es va donar el 1950, amb el Vickers Viscount britànic, primer avió impulsat per hèlix moguda per turbina de gas. Els avions per cobrir un servei es trien en funció de dos factors: el volum de trànsit i la distància entre els aeroports als quals serveix. La distància entre aeroports es coneix com recorregut i hi ha un elevat nombre d'avions que poden operar entre 400 i 11.000 quilòmetres. Els reactors comercials de passatgers es van usar al principi per a recorreguts de llarga distància. L'avió britànic De Havilland Comet va iniciar el seu servei el 1952, i el Boeing 707 en 1958. A finals de la dècada de 1950 va aparèixer el Douglas DC-8 i els Convair 880 i 990. Aquests avions desenvolupaven una velocitat de creuer aproximada de 900 km / hi transportaven més de 100 passatgers. El Caravelle francès, el De Havilland Trident anglès i el Boeing 727 nord-americà, tots ells més petits i dissenyats amb els motors en la cua, es van construir per cobrir línies de mig recorregut, entre 800 i 2.400 quilòmetres. A mitjans de la dècada de 1960 van aparèixer bioreactors encara més petits per operar en trajectes de curt recorregut, com el Boeing 737, el DC-9, el Fokker F-28 i el BAC-111. El Boeing 747 va entrar en servei l'any 1970 i va ser el primer avió comercial de fuselatge ample. El Douglas DC-10 i el Lockheed 1011 Tristar són també grans avions amb capacitats pròximes als 300 passatgers. Tots dos van empesos per tres motors muntats en la cua. Mentre, a Europa, el primer avió bireactor de fuselatge ample, Airbus A300, realitzava el seu primer vol en el mateix any. Airbus és un consorci d'empreses de diferents països europeus com Espanya, França i Regne Unit entre altres.

L'avió supersònic comercial o SST constitueix el cim en el desenvolupament de la tecnologia aeronàutica i permet creuar l'Atlàntic Nord i tornar de nou en menys temps del que un reactor subsònic triga a fer un dels trajectes. El supersònic soviètic TU-144, que va ser el primer a entrar en servei el 1975, realitzava vols regulars de càrrega a l'URSS. El 1962 els governs del Regne Unit i França van signar un acord per desenvolupar i construir el projecte de l'avió supersònic Concorde. El primer vol de prova es va fer el 1971 i el certificat d'aeronavegabilitat es va signar el 1975. El primer vol comercial de l'avió francès va ser des de París a Rio de Janeiro, amb escala a Dakar, i de l'anglès des de Londres a Bahrain. Les pèrdues d'explotació del Concorde van superar els 500 milions de lliures i va deixar de fabricar el 1979. Malgrat el fracàs comercial del Concorde, els fabricants i operadors segueixen interessats en una possible segona generació d'avions supersònics. Mentrestant hi ha una enorme competència entre els fabricants d'avions reactors subsònics avançats com els Boeing 757, 767 i 777 i els Airbus A-320, 330 i 340. L'A-320 ha estat el primer avió comercial a usar el sistema de control completament automàtic fly-by-wire. L'avió quadrimotor de llarg recorregut A-340 i el trimotor McDonnell-Douglas MD-11 van ser els competidors del Boeing 747 mentre el bimotor de fuselatge ample A330 i el Boeing 777 concorren en el mercat d'alta densitat i mig recorregut on ja competien el Boeing 767 i l'Airbus A300/310. Els avions de càrrega han conegut una expansió sense precedents des de la Segona Guerra Mundial. Els primers aeroplans de càrrega van ser els Canadair CL-44 i el Armstrong-Whitworth Argosy, als quals van seguir versions dels grans avions de passatgers modificats per a càrrega, que són els usats actualment.

3. Per què vola un avió? Com s’ho fan els pilots per poder aixecar i mantenir una maquina de centenars de tones a més de mil metres d’altura? Aquesta es la pregunta que es fan milers de persones tant bon punt es troben en el seient d’un avió de tres cents passatgers esperant que el viatge sigui ràpid i sense problemes. De totes les forces que actuen sobre un aeroplà en vol, les bàsiques i principals que afecten totes les maniobres són quatre: sustentació, pes, tracció i resistència. Aquestes quatre forces actuen en parells, la sustentació és oposada al pes, i la tracció a la resistència.

Un aeroplà, com qualsevol altre objecte, es manté estàtic a terra a causa de l'acció de dues forces: el seu pes, a causa de la gravetat, que el manté a terra, i la inèrcia o resistència a l'avanç que el manté aturat. Perquè aquest aeroplà voli caldrà contrarestar l'efecte d'aquestes dues forces negatives, pes i resistència, mitjançant altres dues forces positives de sentit contrari, sustentació i tracció respectivament. Així, la tracció ha de superar la resistència que oposa l'avió a avançar, i la sustentació superar el pes de l'avió mantenint-lo en l'aire.

Aquesta força de tracció que es la que permet que l’avió avanci i així pugui superar la resistència de l’aire es genera principalment a traves dels motors d’explosió o de reacció. Aquests motors els podem trobar en els extrems dret i esquerra de l’aeronau, normalment sota l’ala. D’aquesta manera ja sabem com un avió avança però, com es fa un avió per superar aquesta gran força que no es res més que el seu propi pes i a traves de la sustentació mantenir-se a l’aire com si fos una ploma?

Sustentació Per poder parlar de com un avió aconsegueix la sustentació primer la definirem. Definim la sustentació com la força desenvolupada per un perfil aerodinàmic moventse en l'aire, exercida de baix a dalt, amb direcció perpendicular al vent relatiu i l'envergadura de l'avió (no necessàriament perpendiculars a l'horitzó). Se sol representar amb la lletra L de l'anglès Lift = Sustentació. La formula matemàtica principal per poder calcular la sustentació es la següent:

p v2 S CL

La sustentació es igual al producte de un mig de la densitat d’aire per la velocitat de l’aire respecte l’avió al quadrat per la superfície alar per un coeficient de perfil. Com podem observar la sustentació augmentarà de forma considerable en conseqüència de la velocitat de l’aire ja que ha 10000 metres de la superfície terrestre, que es la altitud mitjana de vol d’un avió, la pressió i la Temperatura (p= ) són valors petits. El coeficient de perfil o coeficient aerodinàmic. Desprès de veure la expressió matemàtica de la sustentació, el que ens importa de veritat es saber com es produeix aquesta força. Per fer-ho, començarem a explicar el Teorema de Bernoulli.

Principi de Bernoulli Un dels principis que donen sentit al vol dels avions es el Principi de Bernoulli, que es pot considerar com una apropiada declaració del principi de la conservació de l'energia, per al flux de fluids. El comportament qualitatiu que normalment evoquem amb el terme "efecte de Bernoulli", és el descens de la pressió del líquid a les regions on la velocitat del flux és major. Aquest descens de pressió per un estrenyiment d'una via de flux pot semblar contradictori, però no tant quan es considera la pressió com una densitat d'energia. En el flux d'alta velocitat a través d'un estrenyiment, s'ha d'incrementar l'energia cinètica, a costa de l'energia de pressió.

E per unitat de volum en P1

Energia de pressió

E per unitat de volum en P2

Energia potencial

Energia cinètica

P com a pressió

h com altura

Ƿ com a densitat de l’aire

v com a velocitat del fluid

g com a força de gravetat

Un exemple clar per poder entendre aquest principi utilitzarem un conducte de fluids. Com podem veure en la imatge, aquest fluid passa per dos espais amb una diferencia de diàmetre visible. En A1 la velocitat i pressió del fluid es mante constant a mesura que aquest recorre el conducte. En arribar a A2 el diàmetre del conducte decreix i fent

referencia

Bernoulli

principi

velocitat

d’aquest

augmentarà fent disminuir la seva pressió en aquell punt.

Aquests mateixos fets es tradueixen al que passa en un perfil alar. Quan el flux d’aire es dirigeix en sentit contrari al avió, aquest xoca contra el bord d’atac de l’ala i passa per sobre i per sota. Com tots sabem, el cara superior de l’ala o extradós te una superfície superior que la part inferior o intradós. L’aire que viatja per l’extradós ho farà més ràpid que el que viatja per l’intradós per aquesta reducció i curvatura del ala. Relacionant-lo amb el principi de Bernoulli, l’increment d’aquest flux d’aire que recorre l’extradós fa que la seva pressió disminueixi provocant una diferencia de pressió entre la cara superior i inferior. Aquesta diferencia crea una força que “xucla” l’avió cap dalt provocant aquesta sustentació. Ho veurem de forma mes representativa a la següent imatge:

Tercera llei de Newton Una vegada entès el principi de Bernoulli, necessitarem

entendre

com

afecta

d’una

manera més important la Tercera Llei de Newton o llei de Acció Reacció. Aquesta llei diu que per cada força que actua sobre un cos (embranzida), aquest realitza una força d'igual intensitat, però de sentit contrari sobre el cos que la va produir. Dit d'una altra forma, les forces, situades sobre la mateixa recta, sempre es presenten en parells d'igual magnitud i d'adreça, però amb sentit oposat.

Com podem veure a la imatge, tenim dos cossos de masses diferents m1 i m2 d’on surten dues forces amb el mateix mòdul i direcció però en sentit contrari. Per tant, d’aquest dibuix podem treure una conclusió:

F1-2+(-F2-1) = 0

F1-2 = F2-1

Aquesta força ens afecta diàriament en la nostra vida però els exemples més clars son els del coet o la mateixa força que fem contra el terra per poder caminar. Però com pot afectar aquesta força al vol dels avions? Amb l’avió en vol, l’aire en contra o resistència xoca contra el bord d’atac i aquest aire es divideix en dues zones. L’aire que viatja per l’extradós o part superior viatja a una velocitat superior. Donat a la curvatura de l’extradós, aquest aire es empentat cap a baix. Aquesta força que fa l’aire contra el terra desprès de sortit a velocitats elevades de l’ala, crea una força amb igual mòdul però en sentit contrari que crearà la sustentació. Per entendreu millor tenim aquesta imatge:

Perquè un simple gas sigui capaç d’aixecar tones a milers de metres d’altura, te una gran importància la posició de les ales i l’angle amb el que atacarà l’aire. Aquí entra en lloc l’angle d’atac:

Com podem veure a la imatge anterior, l’angle d’atac és aquell angle que trobem entre el vent relatiu i la corda (línia imaginaria que travessa el perfil pel mig). A mesura que aquest angle augmenta, la sustentació també creixerà però, com en tot hi ha un màxim. A partir de un cert angle la sustentació es perdrà abruptament i l’avió entrarà en pèrdua o “Stall” en anglès.

Els gràfics següents ens mostra el màxim angle d’atac en el que la nau anirà guanyant sustentació. Un cop superat aquest angle, la sustentació cau en picat. El primer dels dos el Coeficient de sustentació o CL arriba al seu punt màxim amb un angle de 18º, quan es supera aquest angle l’avió entra en pèrdua. Un exemple més gràfic es el que ens mostra el segon gràfic. Podem veure que a mesura que l’angle augmenta les línies, que simularien el flux d’aire, van en descens amb més facilitat fins a un angle màxim. Al arribar als 16º la nau entra en pèrdua i les línies es comencen a separar trencant lla capa límit laminar, fet que provoca la pèrdua de la sustentació.

Centre de pressions Aquest coeficient de sustentació es dóna en cada punt del perfil alar. Per facilitar el seu càlcul s’ha creat un vector imaginari equivalent a la suma de tots els vectors infinits de sustentació del perfil. Aquest centre de pressions o C P serà el punt on s’aplicarà la força de sustentació no es fixa ja que aquests centre canvia segons l’angle d’atac. El centre de pressió o Cp no te perquè coincidir amb el centre de gravetat o Cg. Amb un angle mínim la sustentació esta repartida en la part posterior del perfil mentre que a mesura que aquest angle va augmentant, la força sustentació recau en la part davantera del perfil creant així un canvi en la posició del C p. El marge de desplaçament ha d’estar entre el 25% i el 60% de la corda. Com que aquest afecta a l’estabilitat de l’aeronau, s’ha de variar lo meny possible.

Capa límit laminar La capa límit és la zona del flux d'aire que es mostra en el dibuix més propera a la superfície de l'ala i on les molècules d'aire es mouen a una velocitat inferior que la resta de la massa d'aire. Per sota de la capa límit segueix havent-hi aire. Però aquest està afectat per la seva viscositat. I per ser un fluid viscós les seves molècules es desplacen mes lentament segons no apropem a la superfície de l'ala. Fins a arribar a zero. De fet si poguéssim mesurar la velocitat de les molècules que toquen el metall d'un ala que es mou a gran velocitat veuríem que la seva velocitat és zero.

És per això que quan les gotes de pluja cauen sobre el parabrisa i ens movem no surten disparades cap al sostre a gran velocitat. Bàsicament allà on hi ha les gotes l'aire amb prou feines porta velocitat per molt ràpid que ens moguem. Simplement és l'efecte de la viscositat de l'aire. Que no és més que la resistència d'un fluid a ser desplaçat. Una cosa així com si intentéssim moure un tros de gelatina d'un plat empenyent-lo. La part de la gelatina que està tocant el plat produirà la seva més resistència al moure's. Mentre que la punta del tros de gelatina es desplaçarà sense problemes. La capa límit funciona com aquell tros de gelatina. És per això que dins de la capa límit no es compleix el principi de Bernoulli. La capa límit és bastant prima, amb prou feines 1 cm de gruix per a l'ala d'un 747. En avions més petits és menor. Les partícules d'aire que amb dificultats es desplacen per la capa límit ho fan inicialment de manera laminar. De forma paral·lela les unes a les altres. Però a mesura que aquestes es van desplaçant la seva trajectòria comença a tornar-se més erràtica esdevenint turbulenta i augmentant el gruix de la capa límit.

En realitat, la capa límit és un invent humà, una forma de facilitar les coses perquè les seves limitades capacitats matemàtiques no es vegin sobrepassades per les complicades equacions que governen el moviment d'un fluid. Aquestes equacions es coneixen com a equacions de Navier-Stokes, i són tan difícils de resoldre que els humans només saben fer-ho en determinats casos molt simplificats

Suposem un cos que viatja a través d'un fluid a una velocitat V. Si imaginem que viatgem amb el cos, aquest estarà quiet des del nostre punt de vista i l'aire es mourà al seu al voltant. Lluny del cos el fluid no s'assabenta de la presència d'aquest, per la qual cosa es mourà a la velocitat V com si res. I, en canvi, el fluid que està en contacte immediat amb el cos es queda pegat a ell (a causa d'efectes de viscositat), per la qual cosa la seva velocitat respecte al mateix serà nul·la. Els humans ho tenen bastant clar fins a aquí. Però, què passa a la zona intermèdia?

En aquesta zona es produeix una transició gradual entre tots dos comportaments, i l'aire passa de tenir velocitat nul·la a tenir velocitat V. La capa límit se sol definir com la zona en la qual el flux d'aire té una velocitat de entre el 0 i el 99% de V. Així, fora de la capa límit, es pot considerar que la viscositat és menyspreable, amb la qual cosa les equacions de Navier-Stokes prenen una forma bastant menys intimidant. I dins d'ella, encara que l'efecte de la viscositat és dominant i no es pot menysprear, es poden fer altres simplificacions que també faciliten molt les coses. Va ser Prandtl el que va tenir la genial idea de dividir les coses d'aquesta manera, i el que va parlar de la capa límit per primera vegada en la història. Com imaginareu, hi ha un gran nombre d'humans que estudien mecànica de fluids que li estan molt agraïts. L’espessor de la capa límit depèn, per tant, del perfil de velocitats de la zona de transició, i comparada amb la grandària d'un avió sol ser bastant fina. No obstant això, no totes les capes límits són iguals.

Existeixen dos tipus de capes límit: 



Capa límit laminar: en aquesta capa el flux es comporta de manera laminar, es a dir, el flux es comporta de forma ordenada amb moviments suaus i seguint els contorns de les coses. Capa límit turbulenta: en aquesta el flux es comporta de manera desiguals, sense seguir un ordre

Doncs bé, hi ha dos tipus de capa límit: la capa límit laminar i la capa límit turbulenta. La segona és lleugerament més gruixuda que la primera, i com el fluid es mou en totes direccions, dissipa més energia, i per això la força de fricció derivada d'ella és més gran. Així que, en principi, a un avió li interessa que la seva capa límit sigui sempre laminar. No obstant, el que una capa límit sigui laminar o turbulenta depèn de la mida de l'avió. Qualsevol avió convencional té una mida que obliga a fer que la capa límit sigui turbulenta, i, en realitat, els únics avions que són prou petits com per volar en condicions de flux laminar són els d'aeromodelisme. No obstant, una capa límit turbulenta té un avantatge molt important davant una capa límit laminar. El flux laminar va perdent velocitat al llarg de la capa límit, fins que finalment es para o fins i tot retrocedeix, provocant que la capa límit es desprengui i el flux ja no segueixi la forma de la superfície. Aquest efecte és especialment perjudicial en l'ala d'un avió, ja que la sustentació depèn del fet que el flux segueixi la forma del perfil del ala. El despreniment de la capa límit de les ales és el que passa quan es diu que l'avió "entra en pèrdua", és a dir, deixa de sustentar i cau com una pedra, i si el pilot no és capaç de fer que la capa límit torni a adherir-se a l'ala, l'avió s'estavellarà

Una capa límit turbulenta, en canvi, fa que part de l'energia cinètica de la zona exterior (ja sabeu, la que és aproximadament el 99% de V) es transmeti a l'interior, estimulant l'avanç de les zones de menys velocitat, per la qual cosa el despreniment triga molt més en passar, i l'avió és molt menys propens a entrar en pèrdua. A més, quan la capa límit se'n desprèn, la secció efectiva de l'objecte augmenta molt perquè el fluid no segueix la seva forma, de manera que la resistència també és molt més gran. Quan menor sigui l'esfondrament, menor serà aquesta secció efectiva, i per tant menor serà la resistència (l'aire haurà de desviar-se menys per envoltar l'obstacle). Així que es dóna la paradoxa que, amb una capa límit turbulenta, moltes vegades s'aconsegueix reduir bastant la resistència aerodinàmica a l'endarrerir l'esfondrament, malgrat que en principi sembla que no hauria de ser així. És degut a això que les pilotes de golf tenen forats i les de tennis són peludes. Els avions també són plens d'invents perquè la capa límit sigui de la forma més convenient a cada zona. Potser el que més cridi l'atenció a la vista siguin els generadors de remolins, aquesta espècie de petits sortints que tenen en alguns llocs de les ales o el fusellatge, i que produeixen un petit vendaval que energitza la capa límit per evitar el despreniment. Als motors sota les ales hi sol haver uns generadors de remolins més grans, per fer que l'aire, després de recórrer el carenat del motor, arribi a l'ala amb l'energia suficient perquè aconsegueixi el límit de sortida de la mateixa sense desprendre's. No obstant, també interessa que parteix de la capa límit sobre l'ala sigui laminar, per disminuir la resistència, sempre i quan no hi hagi risc de despreniment. Per això, si us hi fixeu, la majoria dels avions comercials porten les vores d'atac de les ales, la cua i fins i tot els motors sense pintar. El metall polit és molt menys rugós que la pintura, i ajuda a fer que la capa límit sigui laminar. Altres mètodes per aconseguir el mateix objectiu es basen a manipular la velocitat de la zona interior de la capa límit, succionant l'aire més lent o injectant aire a més velocitat, encara que són sistemes difícils de construir a la majoria dels casos, i s'utilitzen poc. Alguns dispositius hipersustentadors (flaps i slats) posen en contacte les capes límit del intradós i el extradós mitjançant ranures, perseguint un objectiu semblant. En qualsevol cas, el més crucial en el que fa a la capa límit de l'ala d'un avió és situar la transició de laminar turbulenta en el punt òptim, de manera que es pugui prolongar la capa límit laminar tot el que sigui possible, transformant-la a turbulenta en el moment en què tingui tendència a desprendre's. Així s'aconsegueix una resistència aerodinàmica mínima i bon comportament a velocitats pròximes a la velocitat de pèrdua.

La importància de les ales en el vol Després d’explicar els fonaments basics de la sustentació, argumentarem el paper fonamental de les ales en l’acció del vol. Primer ens hauríem de d’imaginar que anem en un cotxe i intentem treure un llistó de fusta per la finestra. A una velocitat considerable, l’aire xocaria contra el llistó provocant així una força que el tiraria cap endarrere. Aplicant la tercera llei de Newton, podem afirmar que aquesta força que fa l’aire contra el llistó, provocarà una força de mateix mòdul i en sentit contrari fet que ens farà impossible mantindré la fusta perpendicular al terra. També, com es pot veure a la imatge, l’aire que passarà per sobre i per sota del llistó crearà unes turbulències que es traduiran com una gran inestabilitat i una gran resistència aerodinàmica.

El segon objecte a estudiar es una esfera, la esfera al ser una superfície corba, tindrà una resistència aerodinàmica mitjana però seguirà creant turbulències, perilloses per al vol.

L’objectiu bàsic dels enginyers era la disminució de la resistència aerodinàmica combinada amb una major sustentació.

Intentant recrear l’ala del ocells amb un perfil bastant simètric l’estructura ha anat evolucionant al llarg del temps fins a tenir diferents perfils alars segons el tipus d’avió i la funció d’aquest.

Dispositius hipersustentadors Són aquelles superfícies mòbils de l'ala que ens permetran generar un major CL. I per tant major sustentació a baixes velocitats, reduint la velocitat de pèrdua i modificant l'angle crític d'atac.

Els Slats Els Slats són una superfície retràctil que hi ha en la vora d'atac i en desplegar-se creen un “buit” entre el plànol i el slat. Aquest buit té una forma especial, Una obertura gran en l'entrada d'aire i una obertura petita en la sortida d'aire. Això genera un altre venturi. A alts angles d'atac l'aire entra per a l'obertura gran d'a baix i s'accelera perquè una mateixa massa d'aire que entra per l'obertura gran i surti alhora per la sortida petita. Aquesta acceleració de la massa d'aire imprimeix una energia extra al flux d'aire que no ha passat pel slat, donant més energia (moviment de partícules d'aire) a la seva capa límit i impedint que es desprengui a alts angles d'atac. D'aquesta manera es retarda la pèrdua i el perfil *alar pot entrar en pèrdua a un angle d'atac molt major. Com podem veure s'allarga la corba i s'aconsegueix una major sustentació perquè es retarda la pèrdua que ara serà a un major angle d'atac. En molts avions el seu desplegament és automàtic com per exemple en l'A10, on els seus slats en l'encasti de l'ala, es desplegen en depassar 23’8 AoA.

Els Flaps Els flaps són els dispositius que es despleguen en la vora de sortida. Hi ha de diversos tipus: Els flaps augmenten artificialment la curvatura del perfil alar. D'aquesta manera aconseguim una sustentació extra i una resistència extra que ens ajudarà a frenar l'avió en les aproximacions. Depenent del tipus de flap, ho faran d'una manera o una altra. - Els flaps simples: Augmenten la curvatura de l'ala augmentant la sustentació però també la resistència de la mateixa. Són el tipus de flap més comú entre els avions de combat. - Els split flaps: Aquests flaps solament es desplacen cap avall i no incrementen la curvatura del perfil. Solament surten unes xapes cap avall, en el *intradós que augmenten la resistència. No produeixen sustentació extra. Solament produeixen resistència. Es poden trobar en avions com el P51. Molt comú en els caces de la 2º Guerra Mundial.

- Els slotted flaps: Són una millora del flap simple. A més de augmentar la curvatura produeixen més sustentació que els simples perquè aprofiten l'aire que es cola per el buit (slot) per donar més energia a la capa límit com fan els slats.

- Els fowler flaps: Són els flaps més eficients ja que són els que es despleguen cap a enrere i cap avall. Aquests augmenten la superfície alar, augmenten la curvatura augmentant significativament la sustentació i produeixen poca resistència. Són el tipus de *flap que porta l'A10, l'El seu25T, el L39 i la majoria de reactors comercials.

En una gràfica CL-‐AoA la corba no augmenta l'angle d'atac crític on s'entra en pèrdua. Però sí l'origen de la corba gràfica CL-‐AoA, de manera que per un mateix angle d'atac obtenim una major sustentació. El que es tradueix que podem utilitzar una menor velocitat per a un mateix angle d'atac i per tant una velocitat de pèrdua inferior.

La combinació de slats + flaps produeix un augment significatiu de la sustentació tal com es veu en el gràfic.

Winglets Són una prolongació de l'ala que està doblegada cap amunt. Això produeix tres efectes. Primer, en allargar l'ala reduïm el vortex, ja que teòricament a major allargament menor és el “vortex”. Un ala d'envergadura infinita tindria resistència induïda zero. Segon, que en convertir-se en una superfície vertical i més petita, suavitzem la creació de sustentació i per tant formació del remolí. Tercer, i la més interessant, per un tema de vectors de sustentació, el vector sustentació que produeix el winglet és cap a dintre i lleugerament cap a davant. Això crea una força (petita) que ens empeny cap a davant. Augmentant l'eficiència de l'ala i reduint el consum de l'avió. Tal com es veu en la següent il·lustració.

Resistència No nomes actua la força de sustentació, també juga un paper important la resistència. La resistència és la força que impedeix o endarrereix el moviment d'un aeroplà. La resistència actua de forma paral·lela i en la mateixa direcció que el vent relatiu, encara que també podríem afirmar que la resistència és paral·lela i de direcció oposada a la trajectòria.

Des d'un punt de vista aerodinàmic, quan una ala es desplaça a través de l'aire hi ha dos tipus de resistència: (a) resistència deguda a la fricció de l'aire sobre la superfície de l'ala, i (b) resistència per la pressió del mateix aire oposant-se al moviment d'un objecte

seu

si.

La resistència per fricció és proporcional a la viscositat, que en l'aire és molt baixa, de manera que la majoria de les vegades aquesta resistència és petita comparada amb la produïda per la pressió, mentre que la resistència a causa de la pressió depèn de la densitat de la massa d'aire.

Totes dues resistències creen una força proporcional a l'àrea sobre la qual actuen i al quadrat de la velocitat. Una part de la resistència per pressió que produeix una ala depèn de la quantitat de sustentació produïda; ençà se'l denomina resistència induïda, denominant-la resistència paràsita a la suma de la resta de resistències. La fórmula de la resistència (en anglès "drag") té la mateixa manera que la de la sustentació: D = CD * q * S on CD és el coeficient de resistència, dependent del tipus de perfil i de l'angle d'atac; q la pressió aerodinàmica (1/2dv² sent d la densitat i v la velocitat del vent relatiu) i S la superfície alar. La resistència total de l'avió és, doncs, la suma de dos tipus de resistència: la resistència induïda i la resistència paràsita. Resistència induïda. La resistència induïda, indesitjada però inevitable, és un producte de la sustentació, i s'incrementa en proporció directa a l'increment de l'angle d'atac. Al trobar-se a la part posterior de l'ala el corrent d'aire que flueix per dalt amb què flueix per sota, la màxima velocitat de la primera deflecta cap avall a la segona fent variar lleugerament el vent relatiu, i aquest efecte crea una resistència. Aquest efecte és més acusat a l'extrem de l'ala, ja que l'aire que flueix per sota troba una via d'escapament cap a dalt on hi ha menys pressió, però la màxima velocitat de l'aire fluint per dalt deflacta aquest corrent avall s'han produït resistència addicional. Aquest moviment de remolí crea vòrtex que absorbeixen energia de l'avió. De l'explicació donada se'n dedueix clarament que la resistència induïda augmenta a mesura que augmenta l'angle d'atac. Però si per mantenir la mateixa sustentació posem més velocitat i menys angle d'atac, la resistència induïda serà menor, de la qual cosa deduïm que la resistència induïda disminueix amb l'augment de velocitat. La següent imatge ens mostra la relació entre la resistència induïda, la velocitat, i l'angle d'atac.

En la resistència induïda també té influència la forma de les ales; una ala allargada i estreta té menys resistència induïda que una ala curta i ampla.

Resistència paràsita. És la produïda per les altres resistències no relacionades amb la sustentació, com són: resistència a l'avanç de les parts de l'avió que sobresurten (fusellatge, tren d'aterratge no retràctil, antenes de ràdio, etc.); entorpiment del flux de l'aire en ales brutes per impacte d'insectes o amb formació de gel; fregament o fricció superficial amb l'aire; interferència del flux d'aire al llarg del fusellatge amb el flux de les ales; el flux d'aire canalitzat al compartiment del motor per refrigerar-lo (que pot suposar en alguns aeroplans a prop del 30% de la resistència total); etc. també, la superfície total de l'ala i la forma d'aquesta afecta la resistència paràsita; una ala més allargada presenta més superfície al vent, i per això resistència més forta paràsita, que una ala més curta. Lògicament, quan més gran sigui la velocitat més gran serà l'efecte de la resistència paràsita: la resistència paràsita augmenta amb la velocitat.

Si la resistència induïda és un producte de la sustentació, i en la resistència paràsita tenen influència la superfície alar i la forma de l'ala, és obvi que pràcticament tots els factors que afecten la sustentació afecten en més o menys mesura a la resistència.

4. Estructura bàsica de l’avió Tal com es va exposar en la introducció, independentment de la seva mida i potència, tots els avions estan formats per les següents parts principals: -

Fuselatge

Ales

Cua

Motor

Tren d'aterratge

4.1 Fuselatge Ha de ser, necessàriament, aerodinàmic perquè ofereixi la menor resistència a l'aire. Aquesta és la part on s'acomoda la tripulació, el passatge i la càrrega. A la part frontal del buc es troba situada la cabina del pilot i el copilot, amb els corresponents comandaments per al vol i els instruments de navegació.

4.2 Ales Constitueixen la part estructural on es crea fonamentalment la sustentació que permet volar l'avió. En els avions que tenen més d'un motor, aquests es troben situats a les ales i en el cas que siguin de reacció també poden anar col·locats a la cua. A més, en les ales estan ubicats els tancs principals on es diposita el combustible que consumeixen els motors de l'avió. Perquè un avió pugui realitzar les funcions bàsiques d'enlairament, vol i aterratge cal que les ales incorporin també algunes superfícies flexibles o movibles que introdueixen canvis en la seva forma durant el vol. Entre les funcions d'algunes d'aquestes superfícies flexibles està incrementar la creació de la sustentació que manté l'avió en l'aire, mitjançant la introducció de variacions en l'àrea de les ales o oferint major resistència a l'aire durant les maniobres d'enlairament i aterratge. D'aquesta manera s'aconsegueix reduir al mínim la velocitat necessària per enlairar-se o aterrar, qüestió aquesta que depèn del pes i grandària de l'avió, així com de les recomanacions del fabricant.

Les ales dels avions moderns poden tenir diferents formes en la seva secció transversal i configuracions variades. Podem trobar avions amb ales rectes o amb altres formes com, per exemple, en fletxa o en delta.

En l'actualitat s'està generalitzant l'ús dels winglets en avions de mida mitjana per a ús particular o executiu i també en els comercials per a transport de passatgers, com els Boeing i Airbus, per exemple. Aquests avions incorporen a la punta de les ales una extensió doblegada cap amunt, gairebé de forma vertical, la funció és disminuir la turbulència que es forma en aquest lloc durant el vol, amb la qual cosa es millora el rendiment aerodinàmic. Fins i tot el nou Airbus 380 empleats winglets doblegats cap amunt i cap avall. Els winglets permeten disminuir, aproximadament, un 4% el consum de combustible en vols que superin els mil 800 km, ja que permeten reduir la potència dels motors sense que per això disminueixi la velocitat de l'avió.

4.3 Cua En la majoria dels avions la cua té una estructura estàndard simple, formada per un estabilitzador vertical i dos estabilitzadors horitzontals en forma de "T" invertida, de "T" normal o en forma de creu, encara que també es poden trobar avions amb dos i amb tres estabilitzadors verticals, així com en forma de "V" amb estabilitzador vertical i sense aquest.

4.4 Motor Excepte els planadors, la resta dels avions necessiten d'un o diversos motors que ho impulsin per poder volar. Segons la seva grandària, els avions poden tenir la quantitat de motors: -

Un (monomotor)

Dues (bimotor)

Tres (trimotor)

Quatre (quadrimotor o tetramotor)

Sis (hexamotor).

Els avions monomotors són, generalment, de mida petita i porten el motor col·locat al morro o nas. Com a excepció es pot trobar algun model monomotor que el porti invertit i col·locat darrere de la cabina del pilot amb l'hèlix enfrontada a la vora de l'estabilitzador vertical de cua. Els avions que tenen més d'un motor generalment els porten penjats a pilons sota les ales, o col·locats en la part posterior del fuselatge a la zona de la cua. Els dos tipus de motors que podem trobar en els avions són els següents: -

D'èmbol o pistó (explosió)

De reacció (turbina)

Els motors de reacció es divideixen, al seu torn, en tres categories: -

Turborreactor o turbojet

Turbofan o turboventilador

Turbohèlix o turbopropela

Diferents tipus de motors d'èmbol o pistó utilitzats en aviació: (A) Radial, (B) Lineal, (C) Oposats, (D) A "V".

Els motors d'èmbol o pistó poden tenir els cilindres col·locats en forma radial, lineal, oposats o també en "V" i utilitzar hèlixs de dues, tres o quatre aspes fixes o de pas variable. Els turboreactors i els turbofan no utilitzen hèlix, mentre els turbohèlixs, com el seu nom ho indica, són motors de turbina amb hèlix acoblada a un reductor de velocitat.

4.5 Tren d'aterratge És el mecanisme al qual es fixen les rodes de l'avió. Els avions petits solen tenir només tres rodes, una sota cada ala i una altra al morro o nas. En models d'avions antics o en els destinats a realitzar acrobàcia aèria, aquesta tercera roda es troba situada a la cua. En el primer cas la configuració s'anomena "tricicle" i manté tot el fuselatge de l'avió aixecat al mateix nivell del terra quan es troba en terra. En els avions que tenen la roda enrere, anomenada també "patí de cua", el morro o nas es manté sempre més aixecat que la cua quan l'avió es troba en terra. En la majoria dels avions petits que desenvolupen poca velocitat, el tren d'aterratge és fix. No obstant això, en els més grans i ràpids és retràctil, és a dir, que es recull i amaga completament després de l'enlairament, perquè no ofereixi resistència a l'aire en augmentar la velocitat de desplaçament. Dos dels trens d'aterratge s'amaguen, generalment, sota les ales i el davanter dins el morro o nas. És tan gran la resistència que pot oferir el tren d'aterratge quan l'avió es troba ja en vol, que si no es recull la força que adquireix el vent en augmentar la velocitat pot arrencar-lo del fuselatge. Durant la maniobra d'aterratge, un cop que l'avió enfila la pista, el pilot procedeix a baixar el tren d'aterratge accionant el mecanisme encarregat de realitzar aquesta funció. Cada un dels trens d'aterratge situats sota cada ala porta generalment entre dos i vuit rodes, segons la mida i pes de l'avió. El tren d'aterratge situat al morro o nas té una o dues rodes. Una excepció la constitueix el AN-225 Mriá, considerat el vaixell de càrrega més gran del món, que té 14 rodes a cada tren d'aterratge sota les ales i 4 al tren davanter. Quan un avió roda per la pista o es disposa a estacionar ja en la pisa de l'aeroport, el pilot té un dispositiu que serveix com a timó per moure el tren d'aterratge davanter cap als costats i fer els girs a terra.

Igual que un vehicle terrestre qualsevol, l'avió té també frens hidràulics en els trens d'aterratge, que actuen sobre les rodes i detenen l'avió. Per això, una vegada que ha aterrat i disminuït el seu impuls amb l'aplicació prèvia dels frens d'aire (spoilers), el pilot oprimeix amb la punta dels peus la part superior de dos pedals que es troben al pis sota del timó o la palanca, fins aturar completament.

5. Tipus d’avions El món dels avions és un món molt complex que ens ofereix una àmplia selecció d’avions. Per començar, els podem classificar en tres tipus: -

Avions comercials

Avions militars

Avions privats

Avions amb hèlix

5.1 Avions comercials Un avió comercial o avió de línia és una aeroplà explícitament projectat per al transport de passatgers; només els utilitzen les companyies aèries, alguns models. Alguns models són modificats per als transport de càrrega.

5.2 Avions militars Són aeronaus amb fins bèl·lics, ja sigui per atacar a l’enemic i/o donar suport a les forces pròpies dins d’un marc estratègic.

Aquests avions presenten vols d’atac i

defensa de reconeixement i vigilància, transport o rescat entre d’altres.

5.3 Avions privats Un avió privat generalment de mida reduïda, dissenyat per al transport de grups d’empresaris o individus amb calers. Poden ser adaptats a altres finalitats com per exemple la evacuació de víctimes o entrega de paquets molts urgents. Poden ser utilitzats també, per organismes públics, el govern o les forces armades.

5.4 Avions amb hèlix Un avió amb hèlix o helicòpter, és una aeronau sustentada i propulsada per un o més rotors horitzontals, cada un format per dos o més pales. Els helicòpters estan classificats com a aeronaus d’ala fixa perquè els helicòpters creen la sustentació amb les pales que roten al voltant d’un eix vertical.

6. Seguretat Com tots sabem, un avió és una màquina molt complexa que requereix d’un munt de mesures de seguretat per a què no es produeixin errors que desemboquin en lamentables catàstrofes.

AMFE Un d’aquest procediments és l’anàlisi modal de fallades i efectes (AMFE). Un AMFE és un procediment d'anàlisi d'errors potencials en un sistema de classificació determinat per la gravetat o per l'efecte de les fallades en el sistema. Les causes de les fallades poden ser qualsevol error o defecte en els processos o disseny, especialment aquells que afecten els consumidors, i poden ser potencials o reals. El terme anàlisi d'efectes fa referència a l'estudi de les conseqüències d'aquests errors. El sistema AMFE va ser introduït formalment a finals dels anys 40 per al seu ús per les forces armades dels Estats Units. Més endavant va ser utilitzat també en el desenvolupament aeroespacial , per tal d'evitar errors en petites mostres i experiments, va ser utilitzat per exemple en el programa espacial Apollo . El primer boom de l'ús d'aquest sistema va tenir lloc durant els anys 60, amb els intents d'enviar un home a la lluna i aconseguir el seu retorn a la terra. Cada causa potencial de risc ha de ser considerada pel seu efecte en el producte i procés, i segons aquest risc, implementar una sèrie d'accions. I un cop completades, es revisen els riscos. AMFE pot oferir un enfocament analític en gestionar les maneres de fallades potencials i les seves causes associades. En tenir en compte possibles fallades en el disseny de seguretat, cost, rendiment, qualitat o resistència, un enginyer pot obtenir una gran quantitat d'informació sobre com alterar els processos de fabricació per evitar aquests errors. AMFE atorga una eina senzilla per determinar quin risc és el més important, i per tant quina acció és necessària per prevenir el problema abans que aquest passi. El desenvolupament d'aquestes especificacions assegura que el producte complirà els requisits definits.

El procés per conduir un AMFE és lineal . Es desenvolupa en tres fases principals, en les quals, les accions adequades han de ser definides. Però abans de començar amb

un AMFE és important completar un treball previ que asseguri quina informació sobre la resistència i la història del producte són incloses en l'anàlisi. Per començar, cal descriure el sistema i la seva funció, ja que un bon enteniment del mateix simplifica la seva anàlisi. D'aquesta forma un enginyer pot comprovar quins usos del sistema són adequats i quins no. És important considerar els usos intencionats com els no intencionats. Els usos no intencionats són un tipus d'entorn hostil. A continuació s'ha de crear un diagrama de blocs del sistema. Aquest diagrama ofereix una visió general dels principals components o passos en el procés, i com aquests estan relacionats entre si. Això rep el nom de relacions lògiques, al voltant de les quals pot desenvolupar-se un AMFE. La creació d'un sistema de codificació per identificar les diferents parts o processos és molt recomanable i útil.

Pas 1: Severitat Determinar totes les maneres de fallades basades en els requeriments funcionals i els seus efectes. Alguns exemples de fallades són: curtcircuits elèctrics, corrosions o deformacions. És important apuntar que una fallada en un component pot portar a una fallada i així encadenar en un conjunt de fallades. Així, el efecte final de cada mode de fallada deu tenir-se en compte. Un efecte de fallada es defineix com el resultat d'una manera de fallada en la funció del sistema percebuda per l'usuari. Per tant cal deixar constància per escrit d'aquests efectes tal com els veurà o experimentarà l'usuari.

Exemples d'efectes de fallades són: rendiment baix, soroll i danys a un usuari. Cada efecte rep un nombre de severitat (S) que van des de l'1 (sense perill) a 10 (crític). Aquests números ajudaran als enginyers a prioritzar els modes de fallada i els seus efectes. Si la severitat d'un efecte té un grau 9 o 10, s'ha de considerar canviar el disseny, eliminant la manera de fallada o protegint a l'usuari del seu efecte . Un grau 9 o 10 està reservat per a aquells efectes que causarien dany a l'usuari .

Pas 2: Incidència En aquest pas cal observar la causa de la fallada i determinar amb quina freqüència passa . Això pot aconseguir-se mitjançant l'observació de productes o processos similars i la documentació de les seves fallades . La causa d'una fallada està vista com un punt feble del disseny. Totes les causes potencials de manera de fallades han de ser identificades i documentades utilitzant terminologia tècnica. Exemples de causes són: algoritmes erronis, voltatge excessiu o condicions de funcionament inadequades. Una manera de fallades rep un nombre de probabilitat (O) que pot anar de l'1 al 10. Les accions han de desenvolupar-se si la incidència és alta (> 4 per errors no relacionats amb la seguretat i > 1 quan el nombre de severitat del pas 1 és de 9 o 10). La incidència pot ser definida també com un percentatge. Si un problema no relacionat amb la seguretat té una incidència de menys de l'1% se li pot donar una xifra d'1; depenent del producte i les especificacions d'usuari.

Pas 3: Detecció Quan les accions adequades s'han determinat, cal comprovar la seva eficiència i realitzar una verificació del disseny. Cal seleccionar el mètode d'inspecció adequat. En primer lloc, un enginyer ha d'observar els controls actuals del sistema que impedeixin les maneres de fallades o bé que ho detectin abans que arribi al consumidor. Posteriorment s'han d'identificar tècniques d’anàlisi i monitoratge que hagin estat utilitzades en sistemes similars per detectar fallades. D'aquests controls, un enginyer pot conèixer que possibilitat hi ha que ocorrin errors i com detectar-los. Cada combinació dels dos passos anteriors rep un nombre de detecció (D). Aquest número representa la capacitat dels tests planificats i les inspeccions d'eliminar els defectes i detectar maneres de fallades.

Després d'aquests tres passos bàsics es calculen els números de prioritat del risc conegut com (NPR).

Números de prioritat del risc Els números de prioritat del risc no són una part important dels criteris de selecció d'un pla d'acció contra els modes de fallada. Són més aviat un paràmetre d'ajuda en l'avaluació d'aquestes accions. Després d'avaluar la severitat, incidència i detectabilitat els números de prioritat del risc es poden calcular multiplicant aquests tres nombres: RPN = S x O x D. Això s'ha de fer per a tot el procés o disseny. Un cop està calculat, és fàcil determinar les àrees que han de ser de major preocupació. Les maneres de fallada que tinguin un major nombre de prioritat del risc han de ser els que rebin la major prioritat per desenvolupar accions correctives. Això vol dir que no són sempre els modes de fallada amb els números de severitat més alts els que s'han de solucionar primer. Poden existir errors menys greus, però que ocorrin més sovint i siguin menys detectables. Després d’assignar aquests valors, es recomanen una sèrie d'accions amb un objectiu, es reparteixen responsabilitats i es defineixen les dates d'implementació. Aquestes accions poden incloure inspeccions específiques, proves de qualitat, re-disseny, etc. Després d’implementar les accions en el disseny o procés, s'ha de comprovar de nou el nombre de prioritat del risc per confirmar les millores. Aquestes proves es representen normalment de forma gràfica per a una fàcil visualització. Sempre que es facin canvis en un procés o disseny, s'ha d'actualitzar l'AMFE. S'han de tenir en compte alguns punts obvis però importants : 

Intentar eliminar el mode d'errors (algunes errades són més evitables que d’altres)



Reduir la incidència del mode de fallades



Millorar la detecció

Nota: No es pot "Minimitzar la severitat de la sentència" atès que la severitat mesura la gravetat de l'efecte. Per exemple, si l'efecte d'una fallada és "possible mort d'un usuari", la severitat és de 10, es minimitzi o no la freqüència de la decisió.

Interpretació dels Resultats En analitzar els resultats de l'AMFE s'haurà d'actuar en aquells punts prioritaris per a l'optimització del disseny del producte/servei. Aquests punts són els que tenen un NPR elevat i els d’Índex de Gravetat més gran. Les accions que es realitzen com a conseqüència de l'anàlisi del resultat de l'AMFE només es poden orientar a: 

Reduir la Probabilitat d'Ocurrència (preferible). Cal canviar el disseny del procés o del producte.



Augmentar la Probabilitat de Localització (implica augment de cost).

Una interpretació errònia pot provenir de: 

No haver identificat totes les funcions o prestacions de l'objecte d'estudi, o bé, no corresponen aquestes funcions amb les necessitats i expectatives de l'usuari o client.



No considerar tots els Modes de Decisió Potencials per creure que algun d'ells no podria donar-se mai.



Realitzar una identificació de causes possibles superficial.



Un càlcul dels índexs d'incidència i detecció basats en probabilitats no suficientment contrastades amb les dades de productes semblants.

Timing d'un AMFE Un AMFE ha de ser actualitzat: 

En començar un cicle (nou producte/procés).



En canviar les condicions de funcionament.



Quan es fan canvis en el disseny.



D’acord amb l’aprovació de noves lleis i normatives.



Si el feedback rebut dels usuaris indiquen que hi ha un problema.

Usos d'AMFE 

Desenvolupament d'un sistema que minimitzi la possibilitat d'errors.



Desenvolupament de mètodes de disseny i sistemes de prova per assegurar que s'eliminen els errors.



Avaluació dels requisits del consumidor per assegurar que aquests no causen errors potencials .



Identificació d'elements de disseny que causen errors i minimització o eliminació d'aquests efectes .



Seguiment i gestió de riscos potencials en el disseny, evitant cometre els mateixos errors en projectes futurs.



Assegurar que qualsevol decisió que pugui ocórrer no causi dany al consumidor o tingui un impacte greu en el sistema.

Avantatges 

Millora de la qualitat, fiabilitat i seguretat d'un producte o procés.



Millorar la imatge i competitivitat de l'organització.



Augmentar la satisfacció de l'usuari.



Reduir el temps i cost de desenvolupament del sistema.



Recopilació d'informació per reduir errors futurs i capturar coneixement d'enginyeria.



Reducció de problemes possibles amb les garanties.



Identificació i eliminació primerenca de problemes potencials.



Èmfasi en la prevenció de problemes.



Minimització dels canvis a última hora i els seus costos associats.



Catalitzador del treball en equip i l'intercanvi d'idees entre departaments.

Limitacions Com que un AMFE depèn dels membres del comitè que examinen les errades, està limitat per la seva experiència prèvia. Si un error no pot ser detectat, serà necessari comptar amb ajuda externa de consultors que coneixen una àmplia varietat de problemes i errors. AMFE es converteix així en un sistema que parteix dels controls de qualitat, on la documentació és vital per a la implementació. Textos generals i documentació detallada existeixen sobre l'enginyeria forense i l'anàlisi de fallades. És un requisit general en molts països l'ús d'un sistema AMFE per avaluar la integritat d'un producte. Si s'utilitza com una eina vertical i jeràrquica, AMFE pot identificar només els grans errors del sistema. L'anàlisi per arbres de fallada és més adequat. Quan s'utilitza com una eina jeràrquica de baix a dalt, AMFE pot millorar les anàlisis per arbres de fallada i identificar un major nombre de causes i errors. La multiplicació de la severitat, incidència i detecció pot resultar en canvis en les numeracions, on una fallada menys seriosa rep una major importància que una fallada greu. El motiu d'això és que aquestes xifres són escales ordinals de nombres i la multiplicació no és una operació vàlida amb ells. El problema és que aquesta escala no marca la diferència entre un xifra i una altra.

Prova de rejected takeoff Aquesta prova, la prova de rejected takeoff, es podria traduir com la prova que es dur a terme per comprovar si l’avió es capaç d’avortar un enlairament en les pitjors condicions. Aquesta prova es realitza fent veure que l’avió va carregat completament de passatgers i maletes. Per fer això es solen utilitzar bidons plens de líquid o pedres de pesos estàndards (encara que sembli mentida, aquests elements han d’estar certificats). Es carrega el dipòsit de l’avió al màxim de combustible apropant-se el més possible al MTOW (Maximum Takeoff Weight, Màxim Pes en l’Enlairament). Es posa l’avió a rodar a pista accelerant fins just abans d’arribar a la velocitat de decisió V-11, i aleshores s’apliquen els frens al màxim, sense utilitzar la reversa dels motors, fins aconseguir aturar l’avió dins de la pista.

Ingestion test Una de les parts d’un avió que rep més proves és el motor. Aquestes proves solen ser completament exhaustives. Les més conegudes son les anomenades ingestion test (proves de ingestió), que consisteixen en fer passar pel motor alguna cosa més que aire. Com per exemple: aigua, sorra o animals amb els quals es comparteix l’espai aeri. Aquesta última prova es realitza, efectivament, amb aus prèviament mortes, i depenent del volum de les mateixes el resultat esperat pot ser diferent: en el cas d'aus petites s'espera que el motor simplement se les empassi sense massa problemes en les turbines. En el cas d'ocells més grans, mai pot passar que es perfori la coberta exterior del motor. Totes les peces danyades han de quedar contingudes en el motor encara que aquest s'aturi. Recordem que un avió pot volar sense massa problemes amb només un dels seus motors, però el que mai pot passar és que les peces surtin volant.

Wing Test Una altra prova que es dur a terme habitualment amb els avions abans de poder-los atorgar la corresponent certificació és el wing test, traduït com a prova de l’ala. En aquest, es comprova la resistència de l’ala i la seva flexibilitat. En moltes ocasions, l’ala és flexiona fins a tal extrem que aquesta es trenca, això es per certificar la seguretat de l’avió.

Fins ara, totes les proves i procediments esmentats es realitzen abans de que l’avió superi els requisits necessaris per a ser totalment segur i així sortir a volar sense cap tipus de problema. A continuació parlarem de sistemes que utilitzen els avions per a augmentar la seva seguretat i garantir el correcte funcionament de la màquina.

Mètodes per evitar que es formi gel a les ales Els avions, per regla general, no disposen d'un sistema per desgelar les ales per complet. El motiu és que el gel, en vol, tendeix a acumular-se en les vores d'atac, és a dir, la zona davantera de les ales i superfícies de cua. Per a aquests casos, l'aeronau sí que disposa de sistemes per combatre el gel. Bàsicament, són de dos tipus: antigel i de desglaç .

Els sistemes antigel tenen la funció d'evitar la formació de gel i consisteixen en un equip que escalfa la vora d'atac, liquant el gel que pugui formar-se en ell, i per tant evitant que s'acumuli. També hi ha sistemes que van dipositant una pel·lícula líquida d' anticongelant en aquestes mateixes zones.

Els sistemes de desglaç són els que s'encarreguen de desfer del gel que s'ha format. La majoria consisteixen en equips que deformen lleugerament la vora d'atac, de manera que el gel es fractura i es deixa anar. Els més «visibles» són potser les anomenades «botes», que són recobriments de cautxú o substàncies similars que s'omplen líquids o gasos per inflar com globus. Altres sistemes recorren a petits electroimants dins de la vora d'atac, que a l'activar intermitentment, atreuen el metall que forma la coberta de la vora d'atac fent vibrar. Les hèlixs i preses d'aire dels motors també disposen de sistemes similars per evitar la formació de gel Normalment és molt difícil que s'acumuli gel en altres zones de l'avió , ja que la mateixa velocitat de l'aire ho desprèn. No obstant això, en alguns avions sí que s'ha detectat aquest fenomen, i es requereix als pilots que vigilin la formació de gel, i sí sospiten que això està passant (per condicions externes i degradació de les característiques de vol de l'avió), intentin abandonar el més aviat possible la zona de formació de gel. Això pot aconseguir moltes vegades canviant l'altura a la qual vola.

Amb tot això, en algunes aeronaus, ha estat necessari disposar d'un sistema que calenta el combustible en les ales, només lleugerament, per descomptat a una temperatura molt lluny del punt d'inflamació d'aquest, de manera que part d'aquesta calor es traspassi al metall que forma l'ala i actuï com una calefacció antiglaç. En terra és on es pot formar gel a qualsevol punt de l'aeronau. Això passa normalment després

d'una nit a la intempèrie o de pluges seguides de neu o fred intens. En aquests casos, sol ser suficient el ruixat de l'aeronau amb un líquid anticongelant que desfà el gel que s'hagi pogut formar. Igualment, per seguretat, en moltes ocasions un operari del sistema de desglaç pot ser requerit a tocar físicament amb les seves mans la superfície de l'ala o de cua per comprovar que no hi ha gel, especialment l'anomenat gel clar, transparent i difícil, per tant de veure. Els líquids empleats, segons la seva composició i concentració, són vàlids per a un determinat espai de temps, per això el desglaç se sol dur a terme prop de les capçaleres. Si es sobrepassés aquest temps en terra, l'aeronau ha de ser desglaçada de nou abans d'enlairar.

7. Manteniment Darrere de la seguretat i comoditat que ofereixen els avions, milers d'hores de treball i entrenament de centenars d'enginyers, tècnics i mecànics, i un elevat cost econòmic són assumits per les companyies per realitzar un correcte i constant manteniment dels seus avions. Els aparells es munten i desmunten seguint un pla de revisions, programat per normes vigents d'acord amb el nombre d'hores de vol. Les revisions poden ser tan profundes que, fins i tot, inclouen el desmantellament complet de l'avió amb l'objecte de comprovar les rebladures de les unions de les planxes del fuselatge i les ales. Els diferents processos de verificació tècnica venen determinades per una estricta planificació que es desenvolupa en funció de la utilitat i les hores de vol de l'avió. Hi ha dos tipus de manteniment:

7.1 Manteniment en Línia -

No programat: es procedeix tan aviat s'ha constatat alguna avaria.

Programat: s'executa seguint un programa de revisió i recanvi de parts normat i concret. Té com a finalitat mantenir el certificat d'aeronavegabilitat dels avions i restaurar el nivell especificat de fiabilitat. Les revisions realitzen d'acord amb la documentació original proporcionada pels fabricants (cèl·lula, motor i components), completada amb la informació proporcionada per altres companyies aèries usuàries dels mateixos avions i amb la que generen els serveis de la Direcció de Material d'Iberia. El programa de manteniment final i qualsevol modificació del mateix, s'han de sotmetre a l'aprovació de l'organisme oficial verificador (a Espanya, Aviació Civil). L'operador és responsable davant l'esmentat organisme del compliment del programa. El manteniment programat es divideix en 3 categories: -

Trànsit

Diària

Revisió S.

El manteniment de trànsit és una inspecció ràpida que s'ha de realitzar abans de cada vol, incloent les escales. Amb això es comprova l'estat general de l'avió: possibles danys estructurals, pneumàtics, oli, registres i panells d'accés, servei a l'aeronau, etc.

La segona és una revisió diària completa que s'ha de realitzar abans del primer vol del dia, sense excedir en cap cas les quaranta-vuit hores. Durant la mateixa es comprova l'estat general de l'avió, però disposant de temps addicional per a dissenyar una acció correctiva si fos necessari. Finalment, la revisió S, que inclou a l'anterior, té lloc cada cent hores de vol. Durant la mateixa, es comproven tots els aspectes relacionats amb la seguretat al voltant de l'avió,

desenvolupen

instruccions

específiques,

corregeixen

possibles

anormalitats i es realitza un servei a l'avió, amb comprovació de tots els nivells de fluids necessaris per al vol.

7.2 Manteniment Menor Consta de tres inspeccions: -

Revisió A: inclou una inspecció general de sistemes, components i estructura, tant des de l'interior com des de l'exterior, per verificar la seva integritat.

Revisió B: de major intensitat que l'anterior, comprova la seguretat de sistemes, components i estructura, juntament amb el servei de l'avió i la correcció dels elements que així ho necessitin.

Revisió C: és una inspecció completa i extensa, per àrees, de totes les zones interiors i exteriors de l'avió, incloent-hi els sistemes, les instal·lacions i l'estructura visible.

7.3 Manteniment Major Denominat Programa d'Inspecció Estructural ("gran parada", en el llenguatge de l'hangar), el manteniment més gran és la revisió més profunda i minuciosa per la qual han de passar tots els avions. Involucra la participació de 275 especialistes que, durant un mes i mig, estaran aplicats a la realització de diferents tasques que requereixen seixanta mil hores d'activitat i l'ocupació de mil quatre-centes eines. El cost total de l'operació ronda els dos milions d'Euros, depenent del model d'avió en inspecció.

Aquesta revisió ha de complir amb les exigències requerides per a la confirmació del bon estat tècnic i operatiu dels avions, el que garanteix en gran mesura la seguretat del vol. La tasca està planificada i s'ajusta a estrictes normes i procediments, i inclou la substitució de innombrable quantitat de peces de tots els sistemes de l'avió, independent del bon estat en què es trobin. Els recanvis utilitzats han de ser peces noves i originals, d'acord amb les regulacions internacionals. Aquesta és la revisió més completa que es pot realitzar a un avió. En ella, s'engloben treballs com el decapat complet de la pintura exterior de l'aparell, seguit d'una revisió estructural de fuselatge, ales, cua i timó de profunditat, que es realitza emprant sofisticats sistemes electrònics que detecten fissures o anormalitats com per exemple un equip de Raigs X. Posteriorment s'efectua el canvi de motors, trens d'aterratge, comandaments de vol i la resta d'elements tècnics. També, es desmunten totes els seients, les finestretes, els panells de revestiment interiors, tant dels laterals com del terra. A més, també es porta a terme el desmuntatge, la inspecció - reparació si és necessària - i el posterior muntatge d'un important nombre d'elements de l'avió, incloent-hi els sistemes elèctrics, hidràulics, de combustible, navegació, de vol automàtic, etc. Tot finalitza amb verificacions funcionals en terra i, posteriorment, en un vol de proves durant el qual es verifica el correcte funcionament de tots els sistemes de l'aeroplà.

El vol de prova involucra pilots, enginyers i mecànics, abocats a verificar el funcionament i l'efectivitat de tots i cadascun dels components de l'avió. Per a això, durant sis hores contínues, els pilots, el mecànic de vol i els enginyers de manteniment sotmeten a l'avió a situacions límit que és gairebé impossible que succeeixin en la realitat. Durant les proves, s'aturen motors (mai simultàniament) i es tornen a posar en marxa en ple vol (re-encès en vol), es realitzen viratges pronunciats; es redueix la velocitat al mínim, fins que l'avió perd la sustentació i tendeix a caure. S'aplica potència i es verifica la recuperació immediata d'aquesta situació. I també se li accelera fins al màxim de velocitat estructural permesa. El rendiment dels motors, proves dels trens d'aterratge, superfícies mòbils, flaps, equips de navegació automatitzada, ordinadors, i la resta de sistemes i components són verificats durant aquesta llarga jornada.

Totes les empreses han de seguir i complir amb aquests plans de manteniment, indistintament del bon estat de la flota dels seus aparells. Al final del procés, l'avió surt de l'hangar amb zero hores de vol, és a dir, com acabat de sortir de fàbrica. Una revisió més es realitza seguint el progrés d'hores de vol de l'avió. En el cas del Jumbo, per exemple, es porta a terme cada seixanta mesos, aproximadament. Doncs bé, espero que aquesta informació aclareixi dubtes i fantasmes. El manteniment dels avions és part d'un macro programa que envolta innombrables aspectes relacionats amb la seguretat dels vols. Per a nosaltres, els pilots, és una norma, una condició per la qual vetllen tots els integrants del gran sistema aeronàutic, per evitar errors, o per esmenar els existents, amb objectiu comú: l'eficàcia i la seguretat dels vols.

8. Part Pràctica No va ser fàcil escollir una forma de representar i plasmar el nostre treball escrit en una practica. No semblava complicat poder construir algun invent per poder explicar la sustentació dels avions, el que ens semblava complicat era fer-ho evitant una gran despesa econòmica. La nostra intenció era la representació visual del nostre treball, una eina que ens ajudes a fer entendre un tema bastant embolicat com es la física dels avions. Desprès de raonar aquell possible invent vam pensar en la construcció d’un túnel de vent. El túnel de vent era la millor manera de representar el nostre treball. Però, abans de poder construir-lo havíem de saber que anàvem a construir.

8.1 Què és un Túnel de vent ? Un túnel de vent és una eina utilitzada en la investigació aerodinàmica per estudiar els efectes de l'aire que es mou objectes sòlids últims. Un túnel de vent consisteix en un conducte tubular tancada amb l'objecte sota prova muntat al centre. Un sistema potent ventilador empeny l'aire més enllà de l'objecte, el ventilador hi ha d'haver redreçat paletes per suavitzar el flux d'aire. L'objecte de prova està equipat amb un equilibri sensible per mesurar les forces generades pel flux d'aire, o bé, el flux d'aire pot tenir fum o altres substàncies injectades per fer les línies de flux al voltant de l'objecte visible. Aeronaus o vehicles a escala real són a vegades provats en grans túnels de vent, però aquestes instal·lacions són cares d'operar i algunes de les seves funcions han estat assumides pels models informàtics. A més dels vehicles, túnels de vent es fan servir per estudiar el flux d'aire al voltant de les grans estructures com ara ponts o edificis d'oficines. Els primers túnels tancats van ser inventats el 1871, grans túnels de vent van ser construïts durant la Segona Guerra Mundial.

Teoria de funcionament Els túnels de vent es van proposar primer com un mitjà d'estudi de vehicles en vol lliure. El túnel de vent va ser concebut com un mitjà de revertir el paradigma habitual: en lloc de la posició de l'aire quiet i l'aeronau es mou a velocitat a través d'ell, s'obté el mateix efecte si l'aeronau es va aturar i l'aire es va moure a una velocitat passat.

D'aquesta manera un observador estacionari podria estudiar l'aeronau en l'acció, i podria mesurar les forces aerodinàmiques que s'imposen a l'aeronau. Més tard, l'estudi de túnel de vent va entrar al seu propi: els efectes del vent sobre l'home va fer les estructures u objectes necessiten ser estudiats quan els edificis es van fer prou alt com per presentar grans superfícies al vent, i les forces resultants havien de ser resistit per l'interior de l'edifici estructura. La determinació d'aquestes forces es requeria abans dels codis de construcció podrien especificar la resistència requerida d'aquests edificis i aquestes proves seguir utilitzant-se per a edificis grans o inusuals.

Més tard, les proves de túnel de vent va ser aplicat als automòbils, no tant per determinar les forces aerodinàmiques en si, sinó més amb la finalitat de determinar formes de reduir la potència necessària per moure el vehicle a la via a una velocitat donada. En aquests estudis, la interacció entre la carretera i el vehicle juga un paper important, i aquesta interacció ha de tenir en compte a l'hora d'interpretar els resultats de les proves. En una situació real de la carretera s'està movent en relació amb el vehicle, però l'aire és immòbil en relació amb la calçada, però al túnel de vent, l'aire es mou en relació a la calçada, mentre que la carretera és immòbil en relació amb el vehicle de prova. Alguns dels túnels de vent del automòbil -de prova han incorporat corretges mòbils sota el vehicle de prova, en un esforç per aproximar la condició real. Com funciona ? L'aire és bufat o aspirat a través d'un conducte equipat amb un port de visualització i la instrumentació on es munten els models o formes geomètriques per a l'estudi. Normalment, l'aire es mou a través del túnel utilitzant una sèrie de ventiladors. Per a grans túnels de vent de diversos metres de diàmetre, un ventilador gran no és pràctic, i per tant en lloc d'un conjunt de diversos ventiladors s'utilitzen en paral·lel per proporcionar suficient flux d'aire. A causa de la gran quantitat i la velocitat de moviment d'aire necessari, els fans poden ser alimentats per motors turbofan fixos en lloc dels motors elèctrics. El flux d'aire creat pels ventiladors que està entrant al túnel és en si mateixa altament turbulent a causa del moviment de la ganiveta del ventilador, per la qual cosa no és directament útil per mesuraments precisos. L'aire que es mou a través del túnel ha d'estar relativament lliure de turbulències i laminar. Per corregir aquest problema, les paletes d'aire verticals i horitzontals estretament espaiats s'utilitzen per suavitzar el flux d'aire turbulent abans d'arribar a l'objecte de la prova.

A causa dels efectes de la viscositat, la secció transversal d'un túnel de vent sol ser circular en lloc de quadrada, ja que hi haurà una major constricció de flux a les cantonades d'un túnel quadrat que pot fer que el flux turbulent. Un túnel circular proporciona un flux suau.

L'interior davant del túnel és típicament tan suau com sigui possible, per reduir la resistència superficial i la turbulència que podria afectar la precisió de la prova. Fins i tot les parets llises indueixen certa resistència al flux d'aire, i per això l'objecte que està sent provat en general es mantenen a prop del centre del túnel, amb una zona de separació en blanc entre l'objecte i les parets del túnel. Hi ha factors de correcció per relacionar els resultats de proves en túnel de vent amb els resultats a l'aire lliure.

La il·luminació general s'incrusta a les parets circulars del túnel i brilla a través de les finestres. Si la llum es munta a la superfície interior del túnel d'una manera convencional, la bombeta generaria turbulència com els cops d'aire al seu voltant. De la mateixa manera, l'observació es porta a terme generalment a través de finestretes transparents en el túnel. En lloc de simplement ser discos plans, aquestes finestres d'il·luminació i d'observació poden ser corbats perquè coincideixi amb la secció transversal del túnel i reduir encara més la turbulència al voltant de la finestra.

S'utilitzen diverses tècniques per estudiar el flux d'aire real al voltant de la geometria i comparar-lo amb els resultats teòrics, que també han de tenir en compte el nombre de Reynolds i el nombre de Mach per al règim de funcionament.

Parts d’un túnel de vent En un túnel de vent trobem diferents parts que seran claus en el seu funcionament: 

Càmera d'establiment: el seu objectiu és redreçar i uniformitzar el flux d'aire.



Con d'acceleració: la seva funció és accelerar la velocitat del flux mantenint-lo ordenat i uniforme per posteriorment arribar a la càmera d'assajos.



Càmera d'assajos: és la part més important del túnel. És on anem a col·locar l'objecte que volem estudiar i també on farem els mesuraments. És molt important que el flux que atrevís algun dia sigui el més uniforme possible.



Difusor: una vegada l'aire ja ha sortit de la cambra d'assajos, el difusor redueix la velocitat del flux mitjançant el seu perfil divergent. Ens interessa que l'aire surti a la menor velocitat possible ja que la velocitat de sortida anirà relacionada amb les pèrdues energètiques del túnel. A menys velocitat, menors són les pèrdues.



Ventilador: la seva funció és crear un flux d'aire a una velocitat determinada. Normalment porten aparells electrònics per poder variar la velocitat i així realitzar assajos sota les condicions desitjades pels enginyers.



Sòl: és un element importantíssim del túnel si l'utilitzarem per assajar vehicles amb rodes. Els existeixen rodats i estàtics. Els rodats seran molt més precisos, ja que s'assemblen més a la realitat.

En el cas dels túnels de vent tancats hi ha un conducte que uneix el difusor amb la càmera de redreçar i uniformitzar el flux.

Tipus de túnels Hi ha diverses solucions constructives i sobre túnels de vent es refereix, cada una té avantatges i inconvenients. Cada tipus serà adequat per algunes aplicacions i per altres no. L'elecció d'un tipus de túnel condicionarà moltes coses. Anem a veure els que existeixen i les característiques de cada tipus. 1. Oberts o Tancats: la diferència entre ells és que el túnel tancat té connectada la sortida d'aire amb l'entrada. Un avantatge molt important que té el tancat és que permet tenir controlades les variables termodinàmiques de l'aire: densitat, temperatura i pressió. El túnel tancat té menys pèrdues que l'obert, però per contra requereix una instal·lació més gran i complexa que repercuteix directament en el preu. El control de les condicions de l'aire serà un factor que també encarirà aquesta mena de túnel.

2. Càmera d'assajos oberta o tancada: anem a triar un o un altre en funció de la mida del model. En una cambra oberta podrem posar models més grans. El desavantatge que té és que tenim el flux d'aire menys controlat a més d'augmentar la pèrdues relacionades amb l'aire que s'escapa (les mateixes que comentava en un túnel obert). 3. Bufat o aspirat: si ens fixem en la disposició dels ventiladors dins del túnel podem diferenciar entre el túnel bufat, el que té el grup de ventiladors abans de la cambra d'assajos i l'aspirat, el que té el grup de ventiladors després de la cambra d'assajos. Les dues configuracions tenen avantatges i inconvenients, una vegada més dependrà de l'ús que vulguem fer-lo. Per fer-nos -en una idea, el túnel bufat proporciona més velocitat que l'aspirat. Si mirem la uniformitat del flux, veiem que en la configuració d'aspiració el flux és més regular i uniforme. Per fer mesures de temperatura, pressió, densitat i velocitat s'utilitzen diversos aparells (en parlarem en la següent entrega). Cadascun d'ells ha d'estar molt ben calibrat perquè de lectures reals. Per aquest motiu hi ha uns túnels denominats de calibratge. No són res més que túnels normals que tenen molta precisió.

8.2 Construcció d’un túnel de vent Materials -

Ventilador

Cargols

Metacrilat:

Adhesiu

3 peces de 80 (alçada) x 25

Trepant

(llargada) x 0.5 (amplada) (cm)

Broques per al trepant

Caladora



Llistons de fusta: 

1 de 80 x 30 x 1 (cm)

Llima



2 de 80 x 5 x 1 (cm)

Regla



8 de 40 x 40 x 1 (cm)

Retolador i/o llapis

Pintura d’esprai (color opcional)

Poliestirè

Màquina de fum i/o boles de fum de

Retalls de fusta

colors

Bateria de 12V

Tornavisos

Cables de cocodril

Varetes

Servo

Quatre piles AA

Emissora

Anemòmetre

Mètode 1. Per començar el muntatge del túnel de vent, vam tallar amb la caladora la fusta de la que disposàvem en diferents llistons de les següents mesures: 

1 de 80 x 30 x 1 (cm)



2 de 80 x 5 x 1 (cm)



3 de 10 x 30 x 1 (cm)



1 de 30 x 30 x 1 (cm)

A l’últim llistó, el de 30 x 30 x 1 (cm), li vam fer un forat en forma de cercle en el centre d’aquest gràcies a una llima elèctrica.

A continuació vam pintar els llistons amb pintura d’esprai de color negre mate, primer vam aplicar una capa i després d’esperar a que s’assequés, vam aplicar una segona capa de pintura.

Un cop els llistons estaven ven pintats i assecats, els vam collar els uns amb els altres mitjançant cargols quedant de la següent manera:

2. Vam tallar el metacrilat que es pot observar en la fotografia que hi ha a continuació en 3 peces de 80 x 25 x 0,5 (cm).

3. Vam muntar les tres peces de metacrilat en la estructura de fusta que havíem fet i vam posar un perfil alar a l’interior del túnel per tal de començar a fer les primeres proves en aquest. Després de fer un seguit de proves amb el fum per tal d’observar com talla l’aire l’ala d’un avió, ens vam adonar de que potser el túnel de vent que havíem fet no era l’adequat per a dur a terme les nostres proves. Per aquest motiu vam introduir una sèrie de canvis en el nostre túnel (explicats a continuació).

4. Per començar amb les noves modificacions, vam haver de tallar vuit fustes de 40 x 40 x 1 (cm). Després de tallar-les amb la caladora, vam pintar-les amb pintura d’esprai negre mate. Vam desmuntar les fustes laterals del túnel de vent i vam muntar les noves fustes

en els extrems en forma d’embut per cada costat. En un costat vam posar el ventilador i a l’altre la màquina de fum. 5. Finalment, després de posar una malla a la càmera d’establiment per convertit el flux turbulent provocat per el ventilador en flux laminar mes apropiat per aquest tipus de proves,

totes aquestes modificacions estaven fetes i el túnel de vent estava

preparat per a dur a terme el nostre estudi.

Disseny del perfil alar Desprès de construir el túnel de vent, construirem els perfils alars necessaris per poder dur a terme la pràctica. El perfil escollit per a la practica és el model NACA 2412, un perfil molt aerodinàmic utilitzat en avions comercials. Per poder calcular aquest perfil vam utilitzar un programa informàtic, NACA Airfoils, que ens permetia adequar el perfil a les nostres necessitats i fer-lo a escala per a avions de radio control.

Desprès de saber quin perfil escollir per al nostre treball, hem de calcular el seu màxim angle d’atac. Aquest ens mostrarà quins són els intervals de valors dels angles d’atac que ens donaran sustentació. A continuació mostrem el gràfic dels nostres càlculs:

Com podem observar, es crea sustentació quan els angles d’atac fluctuen entre +0º fins als 10º. Això ens indica que aquest

perfil

gran

coeficient de sustentació fins que als 10º d’angle d’atac respecte la corda, la capa límit es perd provocant que l’avió entri en pèrdua posant en perill els passatgers.

A continuació, vam fer els càlculs de com afecta l’angle d’atac al coeficient de resistència aerodinàmica (Cd). Aquest gràfic ens mostra com aquest coeficient es mante baix quan els valors d’angle provoquen sustentació. A partir de 10º, el C d augmenta considerablement provocant aquesta pèrdua de sustentació que provoca que l’avio entri en pèrdua.

Una vegada hem escollit el nostre perfil i hem fet un petit estudi sobre aquest passarem a construir-lo. El material que utilitzarem per a la seva construcció serà el poliestirè, un compost inorgànic fàcil de treballar.

Primer, a partir del plànol del perfil reproduït al programa informàtic, construïm aquest perfil en un llisto de fusta. Aquest pas el repetirem per construir dos perfils de fusta que ens serviran com a guies per tallar el poliestirè. El poliestirè es un material molt semblat al suro, de color blanc i difícil de tallar amb objectes afilats.

Per poder tallar aquest material vam haver de construir una talladora de fil. Aquest instrument, fàcil de crear, està format per una bateria de 12 V, un cable de nicrom, una estructura de fusta i dos cables de cocodril. Es crea una estructura de fusta o també es pot utilitzar una serra de marqueteria.

els dos extrems de

estructura es lliga el fil de nicrom i amb l’ajut dels cables de cocodril prèviament connectats a la bateria, s’apliquen 12 volts que escalfarà el cable i ens permetrà tallar el poliestirè com si de mantega es tractes.

Una vegada construïda la talladora de fil calent i utilitzant una planxa de poliestirè d’uns 4 cm de gruix, hem tallat el nostre perfil prèviament dissenyat per ordinador. Desprès de tallar el perfil, agafem una escata i deixem el perfil ben suau perquè no hi hagin imperfeccions. Una vegada ben polit el pintem de amb pintura de base acrílica groga (si es de base de dissolvent ens crema el poliestirè). Les mesures del nostre perfil son de 20 cm d’amplada per 15 de llargada per 4 de gruix.

Una vegada tenim el túnel de vent construït amb el seu corresponent perfil podem posa en marxa el nostre experiment. El primer pas serà connectar la nostra turbina a la corrent. Aquesta turbina ens proporcionà un corrent d’aire d’uns 20 km/h i ens permet simular les condicions d’una aeronau. Amb el túnel de vent en marxa, connectem la maquina de fum o les boles de fum que faran que el flux d’aire es vegi de manera més clara. Aquest fum blanc tenyirà el flux d’aire poden veure la desviació de l’aire quant viatja sobre el perfil. Aquesta experiència la repetim diverses vegades incidint diferents angles d’atac.

8.3 Visita CESDA El dia 11 d’octubre d’aquest mateix any vam visitar el centre CESDA de Reus, juntament amb dos companys del nostre institut i el nostre tutor de treball de recerca, Marcel Torras.

Al centre CESDA ens van atendre l’instructor de vol, David Solé, que amb una molt bona disposició ens van explicar de manera molt entenedora i correcta, un munt de conceptes que desconeixíem o bé no teníem ben assimilats. Per tant aquesta visita al CESDA ens va servir per aprofundir en els àmbits següents: -

La navegació dels avions

El disseny dels perfils alars

Les lleis físiques

Els materials de càlculs de l’aviació

Allà també vam poder veure un simulador de vol d’última generació i observar un munt d’avionetes, que es trobaven estacionades a l’hangar, de ben a prop. Fins i tot, vam poder pujar en una de elles.

8. Conclusions Una vegada acabat el nostre projecte i contents pel treball que hem dut a terme tant a la part practica com a la teoria hem pogut treure algunes conclusions.

Saber que els avions podien volar no era massa difícil, ja que els veiem cada dia. El que sí que ha sigut complicat és aprendre com volen, tota la física i teories que hi ha darrere. Podem dir que contra tot pronòstic, i com tothom diria, les ales són la part més important d’un avió i no els motors i la importància de l’aire en crear la sustentació necessària per permetre el vol.

Hem pogut respondre la nostra pròpia pregunta de com volen els avions però no ens vam quedar aquí. Vam voler arribar més lluny, volíem saber si totes questes lleis físiques que sobre el paper funcionaven a la perfecció també ho feien a la pràctica.

La construcció del túnel de vent, instrument utilitzat des del 1870, ens ha permès comprovar d’una manera més visual que totes aquestes lleis i teories tenen una bona base. Tot i que no ha estat un instrument de gran precisió, hem pogut observar el flux d’aire que viatja sobre el perfil.

Amb aquestes conclusions donem per finalitzat el nostre projecte de recerca, on hem estat en contacte amb un tema que per gràcia o desgracia encara ens té moltes sorpreses amagades.

9. Bibliografia http://es.wikipedia.org/wiki/Sustentaci%C3%B3n http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV13.html http://www.asifunciona.com/aviacion/af_avion/af_avion6.htm http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-vuela-un-avion-y-iv http://www.ojocientifico.com/3913/por-que-vuelan-los-aviones http://www.revistadini.com/noticia/894/_como-vuela-un-avion_.html http://www.skytechnologies.net/whyfly/ http://howaircraftfly.atspace.org/ http://www.youtube.com/watch?v=30O1YasgrdQ http://es.wikipedia.org/wiki/Historia_de_la_aviaci%C3%B3n http://www.historiadelaaviacion.es/ http://aeromodelr.wikidot.com/aviacion-historia http://www.profesorenlinea.cl/mediosocial/Avion_Historia.htm http://www.asifunciona.com/aviacion/af_avion/af_avion2.htm http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~cepco3/escuelatic2.0/MATERIAL/FL ASH/Conocimiento%20del%20Medio/Por%20qu%C3%A9%20vuela%20un%20 avi%C3%B3n.swf http://vuelasinmiedo.es/aviacion/mantenimiento-de-aviones/ http://nadaquehacerjc.blogspot.com.es/2011/02/clases-de-aviones.html http://avion.microsiervos.com/sabias/sabias-aviones-calefaccion-alas.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Anรกlisis_modal_de_fallos_y_efectos http://megustavolar.iberia.com/2012/05/pruebas-de-certificacion/