PRIMERA UNIDAD AERODINAMICA II Valles.pptx

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1. AERODINAMICA II PRIMERA UNIDAD EJES DE REFERENCIA, ORIGEN DEL LEVANTAMIENTO AL AVANCE, MOMENTOS AERODINÁMICOS Y GIROSCÓPICOS DOCENTE CAPITAN P.A. JESUS GUADALUPE VALLES VAZQUEZ ESCUELA NACIONAL DE PROTECCION CIVIL CAMPUS UNIVERSITARIO CHIAPAS LICENCIATURA EN PILOTO AVIADOR COMERCIAL ALA FIJA O ROTATIVA Y PROTECCION CIVIL

2. Fuerzas y momentos que actúan en los diferentes movimientos de los ejes

3. FUERZAS A VUELO Sustentación. Este término describe dos fuerzas distintas que actúan sobre una aeronave. Una fuerza de sustentación actúa sobre un perfil de sustentación, y la otra actúa sobre toda la aeronave.

4. La fuerza de sustentación que actúa sobre un perfil de sustentación. Esta fuerza es la componente de la fuerza aerodinámica total que actúa a un ángulo recto del viento relativo resultante. El viento relativo resultante es la dirección del flujo del aire con respecto al perfil de sustentación.

5. La fuerza de sustentación que actúa sobre toda la aeronave. Esta fuerza, a menudo denominada componente vertical de la fuerza de sustentación, es la suma de todas las fuerzas de sustentación producidas por todas las superficies de la aeronave que son capaces de producir fuerzas de sustentación. Estas superficies incluyen las alas, las palas de los rotores, los elevadores y los estabilizadores horizontales.

6. Peso. Esta fuerza la ejerce una aeronave en virtud de la fuerza de gravedad. El peso actúa sobre la aeronave a través del centro de gravedad; se orienta directamente hacia el centro de la tierra. La magnitud de esta fuerza sólo varía con los cambios de peso bruto.

7. Empuje. Esta fuerza impulsa la aeronave hacia adelante a través del aire. El empuje proviene de una hélice en rotación, del sistema de rotores de un helicóptero, de un motor de propulsión a chorro o de algún otro dispositivo propulsor.

8. Resistencia Aerodinámica. Esta fuerza siempre es paralela al viento relativo. La resistencia aerodinámica es la resistencia que le impone el aire a cualquier objeto que lo atraviese. En el vuelo a velocidad constante, la resistencia es igual al empuje y opuesto al mismo.

9. Fuerza Centrífuga. La fuerza centrífuga es el componente de fuerza aparente que actúa sobre un cuerpo que se mueva en una trayectoria curva, dirigida hacia afuera del centro de curvatura o eje de rotación.

10. Fuerza Centrípeta. La fuerza centrípeta es la fuerza aceleradora que actúa sobre un cuerpo en movimiento en una trayectoria curva. Es el componente de fuerza que se dirige al centro de curvatura o eje de rotación. La fuerza centrípeta cambia la dirección de la velocidad lineal de un cuerpo en movimiento, y le proporciona una aceleración.

11. Circulación inducida y capa límite en cuerpos fuselados

12. Resistencia parásita, inducida y fricción superficial

13. RESISTENCIA ASPECTOS DE LA RESISTENCIA La fuerza que retarda el movimiento de una aeronave o de un perfil aerodinámico a través del aire, se denomina resistencia. A veces, esta fuerza disminuye el rendimiento de la aeronave y constituye un perjuicio. En otros casos, la resistencia puede resultar benéfica. En vista de que la resistencia retarda el movimiento y aumenta el consumo de combustible, también afecta los objetivos de rendimiento tales como el alcance máximo la autonomía y la velocidad máxima. Para reducir la resistencia, los aviadores suelen volar aeronaves limpias.

14. CLASES DE RESISTENCIA A velocidades subsónicas se producen dos clases de resistencia: la resistencia parásita y la resistencia inducida. La resistencia que actúa sobre las superficies no sustentadoras del rotor de los helicópteros se denomina resistencia parásita, la resistencia parásita que actúa sobre los sistemas de rotores de los helicópteros generalmente se denomina resistencia de contorno. La resistencia causada por la propia sustentación se llama resistencia inducida. A velocidades subsónicas, la resistencia total es la suma de las resistencias parásita e inducida

15. Resistencia Parásita. La resistencia parásita resulta de la forma en que el aire fluye alrededor de la aeronave. La configuración, la superficie, la uniformidad, el tamaño y el diseño de la aeronave afectan esta clase de resistencia. Otros factores que contribuyen a la resistencia parásita son los accesorios agregados, tales como artículos colgados de las alas, armas expuestas y tanques desechables. Cualquiera de éstos que cause turbulencia o dificulte el flujo del aire por la aeronave aumenta la resistencia parásita.

16. Resistencia de contorno. La porción de la resistencia parásita generada por la configuración de la aeronave o del perfil aerodinámico, se llama resistencia de contorno. Las líneas aerodinámicas fluyen uniformemente por sobre el perfil aerodinámico casi sin turbulencia. En cambio, alrededor del disco las líneas aerodinámicas se descomponen y se genera una turbulencia; esto disminuye la presión estática detrás del disco. La presión estática delante del disco es mayor que la de atrás. El resultado neto es una resistencia (arrastre) que tiende a retardar el movimiento.

17. Para disminuir la resistencia de contorno, la mayoría de las aeronaves están dotadas de fuselajes, cubiertas de motor, compartimientos exteriores y demás componentes expuestos a la corriente de aire"

18. Resistencia por roce. Hay una capa delgada de aire que cubre la superficie total de la aeronave, llamada capa de contacto. Las moléculas de aire en contacto con la superficie tienen cero velocidad con respecto a la misma. Sin embargo, la siguiente capa se mueve por encima de las moléculas estancadas en la superficie, ya que la es arrastrada por la tercera capa. La velocidad de las capas aumenta según se alejan de la superficie, hasta alcanzarse la velocidad de la corriente libre.

19. A velocidades subsónicas, la capa de contacto tiene el grueso aproximado de un naipe. Dentro de la misma, los varios estratos de aire se deslizan uno con el otro, creando una fuerza de resistencia. Esta fuerza de resistencia, llamada resistencia de roce, es muy pequeña, por pie cuadrado de superficie. Sin embargo, aplicada a alas o aspas de gran extensión, la fuerza puede constituir una porción significativa de la resistencia parásita.

20. (b) El aluminio expuesto a la atmósfera cría una capa de óxido de aluminio. Debido a esta capa, la superficie se vuelve áspera y picada y presenta una resistencia apreciable al flujo uniforme del aire. La capa de contacto se vuelve más gruesa, y aunque la viscosidad de la corriente de aire permanece constante, hay más capas de aire que se deslizan una sobre la otra, por lo que aumenta la fricción de roce. Para reducir este efecto, lo mejor es alisar la superficie con cera y pulimento. La pintura ayuda a alisar la superficie, pero si se le abandona también se puede oxidar como el aluminio

21. (3) Resistencia por interferencia. La resistencia por interferencia es producto del choque de corrientes de aire que crea torbellinos, turbulencia o restricciones a la corriente uniforme. Por ejemplo, el aire que fluye a lo largo del fuselaje choca con el aire que fluye por el ala, a lo largo de la unión del ala con el fuselaje. Se puede obligar una unión suave de estas dos corrientes para reducir el efecto de esta colisión. Para ello se une el ala al fuselaje mediante una carena gradual a fin de reducir la resistencia por interferencia.

22. Resistencia Inducida. La resistencia inducida proviene de las velocidades hacia abajo impartidas al aire por el ala al producir la sustentación, y a los vórtices creados por el ala o la punta del aspa. Si no hay sustentación, no hay resistencia inducida.

23. Vórtices Cautivos. Cuando un ala produce sustentación, se crea un diferencial de presión alrededor de la misma. En la superficie superior, este diferencial produce una presi6n por debajo de la atmosférica; y en la superficie inferior produce una presión estática mayor. El diferencial induce una circulación alrededor del ala; esta circulación se llama vórtice cautivo.

24. Vórtices de Borde de Salida. Aunque sería deseable diseñar un ala sin resistencia inducida, no se puede construir un ala de envergadura infinita. No sólo fluye el aire por el borde de ataque para crear la circulación mencionada anteriormente, sino que también fluye por encima y alrededor de las puntas del ala.

25. Según el ala surca la masa de aire, éste trata de fluir alrededor de la punta del ala, creando un vórtice detrás de la misma. Este vórtice de punta de ala induce un flujo a lo largo de la envergadura y crea vórtices a todo lo largo del borde de salida del ala

26. RESISTENCIA TOTAL La resistencia total es el componente de la fuerza aerodinámica total paralelo al viento relativo que tiende a retardar el movimiento de la aeronave o del perfil aerodinámico. Actúa paralelo al trayecto de vuelo o al viento relativo, pero no necesariamente paralelo al vector de empuje.

27. Coeficiente de Resistencia. Se pueden ilustrar los resultados de las pruebas en el túnel aerodinámico, trazando el Coeficiente de Resistencia versus el ángulo de ataque El Coeficiente de Resistencia continúa aumentando aún después de haber comenzado a decaer la curva del Coeficiente de Levantamiento debido a que siempre hay alguna resistencia al movimiento, la resistencia nunca puede llegar a cero. Por tanto, el Coeficiente de Resistencia nunca llega a cero estando la aeronave en movimiento

28. Efecto de la velocidad de flujo

29. FLUJO DE AIRE SOBRE UN PERFIL AERODINAMICO El desarrollo de la sustentación se puede analizar mediante dos teorías diferentes (la teoría del perfil o aspa, y la del impulso). Estas dos teorías se complementan en la explicación de la sustentación producida por un perfil aerodinámico. Según el perfil surca el aire, perturba el flujo natural de éste. Esto constituye un cambio de dirección y velocidad del flujo del aire alrededor del perfil.

30. Teoría del Perfil Aerodinámico o ASDa . La teoría del perfil o aspa se basa en el principio de Bernoulli del flujo de aire.

31. Al chocar el viento relativo {1} contra el borde de ataque del perfil, su velocidad se reduce a cero. Este punto de impacto se llama punto de estancamiento {2}. En este punto del perfil, la presión es igual a la presión total (presión dinámica más presión estática). Esta zona de alta presión crea ondas de presión que se propagan hacia delante del perfil aerodinámico a la velocidad del sonido. Dichas ondas de presión desvían el viento que se aproxima, al perfil, hacia arriba y hacia abajo, comenzando a cierta distancia del mismo {3}.

32. Este aire fluye uniformemente alrededor del perfil, siguiendo su configuración {4}, y se desvía ligeramente hacia abajo al abandonar el borde de salida del perfil {5}. El aire que sigue la configuración del perfil {6} está obligado a recorrer una distancia mayor que si no hubiera tenido que cambiar de dirección {7} por tanto, el aire tiene que acelerar, ya que de lo contrario existiría un vacío parcial tras de haber pasado el perfil.

33. La naturaleza no permite el vacío en la atmósfera terrestre. Para evitar la formación de tal vacío, el flujo del aire por encima y por debajo del perfil aerodinámico aumenta de velocidad. Al aumentar la velocidad de la corriente de aire, también aumenta la presión dinámica por encima y por debajo del perfil aerodinámico.

34. Teoría del Impulso. La teoría del impulso es otro método de analizar la sustentación . Según la segunda ley de Newton, para producir sustentación hay que acelerar una masa de aire hasta llegar a una velocidad y dirección final hacia abajo.

35. Momentos aerodinámicos, precesión y rigidez giroscópica

36. Terminología de perfiles aerodinámicos

37. Un perfil de sustentación es una estructura, pieza o cuerpo diseñado para reaccionar sobre sí mismo en forma útil al moverse por el aire. Los perfiles de sustentación se aplican a las aeronaves, a los misiles o proyectiles teledirigidos y demás vehículos o proyectiles aéreos, a fin de que desarrollen fuerza de sustentación (ala o aspa de rotor). También se utilizan para impartirles estabilidad (plano vertical de deriva), control (elevador) y propulsión o fuerza propulsora (hélice o aspa de rotar).

38. Diseño de los Perfiles de Sustentación. Las fuerzas aerodinámicas necesarias para mantenerlo en el espacio aéreo se producen cuando el aire pasa por entre las aspas del rotor. Las aspas como perfiles de sustentación tienen secciones diseñadas para una serie específica de características de vuelo. Como todo cuerpo provisto de una superficie exterior, los perfiles de sustentación producen fuerza de sustentación o elevación al pasar por el aire; y esto es lo que hace posible el vuelo.

39. Secciones del perfil de sustentación. Las secciones de los perfiles de sustentación son de dos tipos básicos: simétricas y asimétricas. Las simétricas tienen diseños idénticos en la superficie superior y en la inferior; las asimétricas pueden variar mucho en su diseño.

40. Perfiles simétricos. Los perfiles de sustentación simétricos son más adecuados para las aplicaciones de ala rotativa porque apenas se les mueve el centro de presión. El centro de presión se desplaza de manera relativamente constante bajo variados ángulos de ataque. Los perfiles de sustentación simétricos producen menos fuerza de sustentación que los asimétricos a un ángulo de ataque dado.

41. Perfiles de sustentación asimétricos (con comba). Comparados con las simétricas, los perfiles de sustentación asimétricos poseen una mayor relación de fuerza de sustentación a resistencia, así como otras características deseables. Hasta hace poco tiempo, estos perfiles de sustentación se utilizaban primordialmente en aeronaves de ala fija. No se usaban en las primeras aeronave s de ala rotativa porque el centro de presión se desplazaba demasiado al variar el ángulo de ataque.

42. Línea de Cuerda. Una línea recta que atraviesa el perfil de sustentación desde el borde de ataque hasta el borde de salida. Cuerda. La longitud de la línea de cuerda desde el borde de ataque hasta el borde de salida; es la dimensión longitudinal característica de la sección del perfil de sustentación

43. Línea de Comba Media. Una línea que se traza a la mitad de la distancia entre la superficie superior y la inferior. La línea de cuerda conecta los extremos de la línea de comba media. Comba se refiere a la curvatura del perfil de sustentación y puede considerarse como la curvatura de la línea de comba media

44. Radio del borde de ataque. El radio de curvatura de la configuración del borde de ataque.

45. Se utilizan diversos términos para describir el desarrollo de las propiedades aerodinámicas. A continuación definimos algunos de esos términos. Velocidad de la Trayectoria de Vuelo. La velocidad y dirección del perfil de sustentación surcando el aire. Para perfiles de sustentación de ala fija, la FPV es igual a la velocidad aérea real. Para las aspas de los rotores de helicópteros, la FPV es igual a la velocidad giratoria más-menos un componente de la velocidad aérea direccional.

46. Viento relativo. El aire en movimiento igual y opuesto a la velocidad aérea de trayectoria de vuelo del perfil de sustentación. Debido a que la velocidad de trayectoria de vuelo se puede modificar con un flujo inducido de aire, acaso el viento relativo que experimenta el perfil de sustentación no se oriente exactamente al contrario de la dirección de su desplazamiento. Se le llama viento relativo resultante a este viento relativo modificado.

47. Ángulo de Ataque. El ángulo existente entre el viento relativo resultante y la cuerda. Ángulo de Incidencia (aeronaves de ala fija). El ángulo que existe entre la línea de cuerda del perfil de sustentación y el eje longitudinal, o cualquier otro plano de la aeronave que se seleccione como referencia.

48. Centro de Presión. El punto situado sobre la línea de cuerda de un perfil de sustentación a través del cual se considera que actúan todas las fuerzas aerodinámicas.

49. Centro Aerodinámico. El punto situado sobre la línea de cuerda en el que en efecto tienen lugar todos los cambios registrados en la sustentación. Si el centro de presión está situado detrás del centro aerodinámico, el perfil de sustentación sufre un momento de cabeceo nariz abajo. Cualquier cambio ocurrido en el centro de presión cambia la magnitud del momento de cabeceo. El centro aerodinámico generalmente está localizado en la cuerda del 25 por ciento.

50. Coeficiente de fuerzas aerodinámicas y momentos

51. FUERZA AERODlNAMlCA TOTAL El aire en circulación por un perfil aerodinámico crea un diferencial entre las superficies superior e inferior. Dicho diferencial, combinado con la resistencia que le ofrece el aire al paso del perfil, le imparte una fuerza al perfil. Esta fuerza, denominada fuerza aerodinámica total, está representada por un vector. La Fuerza Aerodinámica Total actúa en el centro de presión del perfil aerodinámico, y normalmente está inclinada hacia arriba y hacia atrás.

52. Componentes. Para describir y predecir con mayor facilidad las fuerzas y momentos que actúan sobre un perfil aerodinámico, se resuelve la Fuerza Aerodinámica Total en dos componentes. La fuerza perpendicular al viento relativo resultante, se denomina sustentación; La fuerza paralela al viento relativo resultante, se denomina resistencia

53. Factores. Las fuerzas aerodinámicas producidas por un perfil aerodinámico dependen de numerosos factores, a saber: o La densidad del aire. o El área de la superficie del perfil aerodinámico. o La configuración del perfil aerodinámico. o El ángulo de ataque del perfil aerodinámico. o La velocidad del flujo de aire por el perfil.

54. INFLUENCIAS DE LA SUSTENTACION y LA RESISTENCIA Los dos factores que más afectan el Coeficiente de Levantamiento y el Coeficiente de Resistencia son la configuración del perfil aerodinámico y el ángulo de ataque. La configuración la determina el fabricante, y el aviador controla el ángulo de ataque. Según aumenta la longitud de la combadura, también aumenta la sustentación, hasta cierto punto. Si la longitud aumenta aún más, la resistencia aumenta.

55. El área del ala también afecta directamente la sustentación y la resistencia. Si dos alas dadas tienen las mismas proporciones y el mismo perfil aerodinámico, la que tenga 200 pies cuadrados de superficie, a la misma velocidad aérea y ángulo de ataque levanta el doble de lo que la que tenga 100 pies cuadrados de superficie.

56. La sustentación varía al cuadrado de la velocidad. Por tanto, un perfil aerodinámico que vuele a 200 nudos tiene cuatro veces la sustentación de un perfil que vuele a 100 nudos, siempre que los demás factores permanezcan iguales. Si varía la velocidad aérea, entonces hay que variar otro factor a la inversa para mantener la misma sustentación. El único de los demás factores que se puede controlar es el ángulo de ataque. Para determinada combinación de velocidad aérea, peso y densidad del aire, hay un solo ángulo de ataque que mantenga el vuelo nivelado.

57. ANGULO DE ATAQUE El ángulo de ataque es el ángulo aerodinámico entre la cuerda del perfil aerodinámico y la dirección en que surca el aire (viento relativo resultante) Es uno de los principales factores determinantes de la magnitud de la sustentación y resistencia de un perfil aerodinámico.

58. Cuando la aeronave pierde velocidad, el aviador debe hacer algún ajuste para compensar la merma de velocidad a fin de mantener la sustentación suficiente para no perder altura. El Coeficiente de Levantamiento es la relación de la presión sustentadora a una función de la configuración del perfil aerodinámico y del ángulo de ataque. La velocidad y el Coeficiente de Levantamiento son los únicos variables que afectan la sustentación, controlables por el aviador. El aviador puede controlar el CL mediante el ángulo de ataque. Para mantener una sustentación constante según la aeronave pierde velocidad, hay que aumentar el ángulo de ataque para aumentar el CL; esto es lo que compensa la merma de velocidad

59. MOMENTOS AERODINAMICOS DE CABECEO Además de las fuerzas aerodinámicas, la distribución de la presión sobre una superficie conlleva momentos de cabeceo. La presión distribuida sobre la superficie superior produce la sustentación de la misma, y la presión distribuida sobre la superficie inferior produce la sustentación de ésta. Luego la sustentación neta producida por el perfil aerodinámico es la diferencia entre la sustentación producida por ambas superficies.

60. Otro punto de referencia aerodinámica es el centro aerodinámico. El centro aerodinámico se toma como el punto a lo largo de la cuerda donde tienen lugar en efecto todos los cambios de sustentación.

61. Para que el perfil combado produzca cero sustentación, la sustentación respectiva de las superficies superior e inferior tiene que ser igual. En el perfil combado estos vectores de sustentación no son colineales como en el simétrico. Aunque no haya sustentación neta en el perfil, el par producido por los dos vectores de sustentación (superior e inferior) crea un momento de cabeceo proa abajo. Según aumenta el ángulo de ataque, la sustentación de la superficie superior aumenta mientras disminuye la de la superficie inferior.

62. El perfil aerodinámico a cero sustentación no produce momento de cabeceo sobre el centro aerodinámico. Esto se debe a que la sus tentación producida por las superficies superior e inferior actúa a lo largo de la misma línea vertical (es colineal). Un aumento de sus tentación en este perfil aerodinámico no altera esta situación, el centro de presión permanece fijo en el centro aerodinámico.