Aerodinámica y Mecánica del Vuelo

2 — Introducción

La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos especializada en el cálculo de las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre estos y el fluido en el que se desplazan.

La mecánica de vuelo puede definirse como la ciencia aplicada que se ocupa del estudio del movimiento de los vehículos voladores.

3.1 — Teorema de Bernoulli

Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa".

Formulado matemáticamente:

Donde P es la presión, ρ es la densidad y V es la velocidad. Si la velocidad aumenta, la presión disminuye, y viceversa.

Tubo Venturi — Aplicación práctica

Este principio explica la generación de sustentación en el ala: el aire circula más rápido por el extradós (parte superior) que por el intradós (parte inferior), generando menor presión arriba y mayor presión abajo — esta diferencia de presión genera la fuerza de sustentación.

3.2 — Atmósfera Estándar Internacional (ISA)

La ISA (International Standard Atmosphere) es un modelo de la atmósfera terrestre que permite obtener los valores de presión, temperatura, densidad y viscosidad del aire en función de la altitud. Proporciona un marco de referencia invariante para la navegación aérea y los cálculos aerodinámicos.

La temperatura disminuye 2°C cada 1.000 pies de altitud (6,5°C por km) — gradiente de temperatura — hasta 36.000 pies (tropopausa). Por encima, la temperatura es constante a −56°C hasta los 80.000 pies.

3.3 — Altitud de Presión

La altitud de presión es la distancia vertical sobre el nivel del mar en la ISA a la cual se encuentra una determinada presión. Es importante como base para determinar la performance del avión y para la asignación de niveles de vuelo.

3.4 — Altitud Densidad

La altitud de densidad es la distancia vertical sobre el nivel del mar en la atmósfera estándar a la cual se encuentra una determinada densidad. Es el factor más importante que afecta a las actuaciones de la aeronave.

La densidad del aire decrece cuando la temperatura, altitud y humedad aumentan:

• Alta altitud densidad (aire poco denso) → actuaciones de la aeronave disminuyen
• Baja altitud densidad (aire más denso) → actuaciones de la aeronave aumentan

3.5 — Velocidades

En un vuelo recto y nivelado, cuatro fuerzas están equilibradas:

Las dos fuerzas aerodinámicas se expresan mediante un coeficiente propio del perfil, la presión dinámica y la superficie alar.

• Sustentación: L = C_L · q · S, donde q = ½·ρ·V² (presión dinámica), S es la superficie de las alas y C_L el coeficiente de sustentación. Para cada perfil, el C_L depende del ángulo de ataque.
• Resistencia: D = C_D · q · S. Depende de las mismas variables que la sustentación. El coeficiente de resistencia C_D es la suma del coeficiente de resistencia parásita y el de resistencia inducida.

El C_L aumenta con el ángulo de ataque hasta alcanzar el C_L máximo; si se supera el ángulo de ataque crítico, el flujo se desprende del extradós y el perfil entra en pérdida.

Los vórtices de punta de ala son el resultado de la sustentación. Cuando un perfil vuela a un ángulo de ataque positivo, existe una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior: la presión sobre el ala es menor que la presión atmosférica y la presión debajo del ala es igual o mayor. El aire siempre se mueve de alta a baja presión, y el camino de menor resistencia es hacia la punta alar, creando un remolino de aire o vórtice.

Características de los vórtices

• La intensidad es directamente proporcional al peso de la aeronave
• La intensidad es inversamente proporcional a la envergadura y velocidad
• Son especialmente violentos en los reactores de gran tamaño
• El peligro más grave para una aeronave que penetra en la estela turbulenta es el balanceo inducido, cuando su violencia sobrepasa la eficacia de los mandos

Inicio y fin del vórtice

El vórtice empieza a formarse en el momento de la rotación (cuando las ruedas de proa dejan de hacer contacto con la pista) y termina cuando dichas ruedas de proa hacen contacto con el suelo en el aterrizaje.

5.1 — Efecto Suelo

Hay una zona muy próxima al suelo en la que el vórtice se destruye contra la superficie (poco antes de contactar con la pista). A este fenómeno lo denominamos efecto suelo. Tiene un efecto mayor cuanto más cercano está el avión al suelo y mayor sea su envergadura.

6 — Factor de Carga

El factor de carga es la proporción entre la sustentación y el peso. Se mide en G (aceleración de la gravedad). En vuelo horizontal, la sustentación equilibra el peso — factor de carga = 1G.

En un viraje, solo la componente vertical de la sustentación equilibra el peso. Para mantener la altura en un viraje, la sustentación total debe aumentar, aumentando el factor de carga. A mayor ángulo de banco, mayor factor de carga.

7 — Entrada en Pérdida

La pérdida resulta de una rápida disminución en la sustentación causada por la separación del flujo de aire de la superficie superior del ala al superar el ángulo de ataque crítico.

• El CL aumenta progresivamente con el ángulo de ataque hasta el CL máximo. A partir de ahí, el perfil entra en pérdida.
• La velocidad de pérdida (Vs) depende de la densidad del aire — a mayor altitud, mayor velocidad de pérdida.
• El aviso de pérdida se suministra al piloto mediante un dispositivo que hace vibrar la palanca (stick shaker). Este aviso debe producirse a una velocidad un 7% por encima de la velocidad de pérdida.
• El buffet o bataneo es una fuerte vibración que se produce antes de entrar en pérdida — no todas las zonas del ala entran en pérdida a la vez.

7.1 — Coffin Corner

A altas velocidades (Mach 0.82 y superiores), puede alcanzarse la velocidad del sonido en el extradós. El número de Mach que hace que en un punto del extradós se alcance Mach 1 se llama Mach crítico — genera una onda de choque y nueva resistencia.

Los reactores comerciales volando a gran altura pueden tener un margen muy pequeño entre la velocidad de pérdida por alta velocidad y la de baja velocidad. El punto donde coinciden ambas velocidades se denomina Coffin Corner. La solución es descender para ampliar el margen.