En cada oficina de diseño de aviación hay una historia sobre una declaración del diseñador jefe. Solo cambia el autor de la declaración. Y suena así: “He estado lidiando con aviones toda mi vida, ¡pero todavía no entiendo cómo vuela este pedazo de hierro!”. De hecho, después de todo, la primera ley de Newton aún no ha sido cancelada y el avión es claramente más pesado que el aire. Es necesario averiguar qué fuerza no permite que una máquina de varias toneladas caiga al suelo.
Métodos de transporte aéreo
Hay tres formas de viajar:
- Aerostático, cuando el despegue del suelo se realiza con la ayuda de un cuerpo cuyo peso específico es inferior a la densidad del aire atmosférico. Estos son globos, aeronaves, sondas y otras estructuras similares.
- Reactivo, que es la fuerza bruta de una corriente en chorro de combustible combustible, que permite vencer la fuerza de la gravedad.
- Y, por último, el método aerodinámico para crear sustentación, cuando la atmósfera terrestre se utiliza como sustancia de soporte para vehículos más pesados que el aire. Aviones, helicópteros, autogiros, planeadores y, por cierto, las aves se mueven con este método en particular.
Fuerzas aerodinámicas
Un avión que se mueve por el aire se ve afectado por cuatro fuerzas multidireccionales principales. Convencionalmente, los vectores de estas fuerzas están dirigidos hacia delante, hacia atrás, hacia abajo y hacia arriba. Eso es casi un cisne, un cáncer y un lucio. La fuerza que empuja el avión hacia adelante es generada por el motor, hacia atrás es la fuerza natural de la resistencia del aire y hacia abajo es la gravedad. Bueno, en lugar de dejar caer el avión, la sustentación generada por el flujo de aire debido al flujo alrededor del ala.
Ambiente estándar
El estado del aire, su temperatura y presión pueden variar significativamente en diferentes partes de la superficie terrestre. En consecuencia, todas las características de las aeronaves también serán diferentes cuando vuelen en un lugar u otro. Por lo tanto, por conveniencia y llevando todas las características y cálculos a un denominador común, acordamos definir la llamada atmósfera estándar con los siguientes parámetros principales: presión 760 mm Hg sobre el nivel del mar, densidad del aire 1.188 kg por metro cúbico, velocidad de sonido 340,17 metros por segundo, temperatura +15 ℃. A medida que aumenta la altitud, estos parámetros cambian. Hay tablas especiales que revelan los valores de los parámetros para diferentes alturas. Todos los cálculos aerodinámicos, así como la determinación de las características de rendimiento de la aeronave, se realizan utilizando estos indicadores.
El principio más simple para crear ascensores
Si en el flujo de aire que se aproximapara colocar un objeto plano, por ejemplo, al sacar la palma de la mano por la ventana de un automóvil en movimiento, puede sentir esta fuerza, como dicen, "en los dedos". Al girar la palma de la mano en un ángulo pequeño en relación con el flujo de aire, se siente inmediatamente que, además de la resistencia del aire, aparece otra fuerza que tira hacia arriba o hacia abajo, según la dirección del ángulo de rotación. El ángulo entre el plano del cuerpo (en este caso, las palmas) y la dirección del flujo de aire se llama ángulo de ataque. Al controlar el ángulo de ataque, puedes controlar la sustentación. Se puede ver fácilmente que con un aumento en el ángulo de ataque, la fuerza que empuja la palma hacia arriba aumentará, pero hasta cierto punto. Y cuando alcance un ángulo cercano a los 70-90 grados, desaparecerá por completo.
Ala de avión
La superficie de apoyo principal que genera sustentación es el ala del avión. El perfil del ala suele tener forma de lágrima curva como se muestra.
Cuando el aire fluye alrededor del ala, la velocidad del aire que pasa por la parte superior del ala supera la velocidad del flujo inferior. En este caso, la presión del aire estático en la parte superior se vuelve más baja que debajo del ala. La diferencia de presión empuja el ala hacia arriba, creando sustentación. Por lo tanto, para garantizar la diferencia de presión, todos los perfiles de las alas se hacen asimétricos. Para un ala con un perfil simétrico con un ángulo de ataque cero, la sustentación en vuelo nivelado es cero. Con tal ala, la única forma de crearla es cambiar el ángulo de ataque. Hay otro componente de la fuerza de elevación: inductivo. Ella esse forma debido a la inclinación hacia abajo del flujo de aire por la superficie inferior curva del ala, lo que naturalmente da como resultado una fuerza inversa hacia arriba que actúa sobre el ala.
Cálculo
La fórmula para calcular la fuerza de sustentación del ala de un avión es la siguiente:
Y=CyS(PV 2)/2
Dónde:
- Cy - coeficiente de sustentación.
- S - área del ala.
- V - velocidad de transmisión libre.
- P - densidad del aire.
Si todo está claro con la densidad del aire, el área del ala y la velocidad, entonces el coeficiente de sustentación es un valor obtenido experimentalmente y no es una constante. Varía según el perfil del ala, su relación de aspecto, ángulo de ataque y otros valores. Como puede ver, las dependencias son en su mayoría lineales, excepto por la velocidad.
Este misterioso coeficiente
El coeficiente de sustentación del ala es un valor ambiguo. Los cálculos complejos de varias etapas todavía se verifican experimentalmente. Esto generalmente se hace en un túnel de viento. Para cada perfil de ala y para cada ángulo de ataque, su valor será diferente. Y dado que el ala en sí no vuela, sino que es parte del avión, tales pruebas se llevan a cabo en las copias reducidas correspondientes de los modelos de aviones. Las alas rara vez se prueban por separado. De acuerdo con los resultados de numerosas mediciones de cada ala en particular, es posible trazar la dependencia del coeficiente del ángulo de ataque, así como varios gráficos que reflejan la dependencia.sustentación de la velocidad y el perfil de un ala en particular, así como de la mecanización liberada del ala. A continuación se muestra un gráfico de muestra.
De hecho, este coeficiente caracteriza la capacidad del ala para convertir la presión del aire entrante en sustentación. Su valor habitual es de 0 a 2. El registro es 6. Hasta ahora, una persona está muy lejos de la perfección natural. Por ejemplo, este coeficiente para un águila, cuando se eleva del suelo con una tuza atrapada, alcanza un valor de 14. Es obvio a partir del gráfico anterior que un aumento en el ángulo de ataque provoca un aumento en la sustentación a ciertos valores de ángulo.. Después de eso, el efecto se pierde e incluso va en la dirección opuesta.
Flujo estancado
Como dicen, todo es bueno con moderación. Cada ala tiene su propio límite en términos de ángulo de ataque. El llamado ángulo de ataque supercrítico conduce a una pérdida en la superficie superior del ala, privándola de sustentación. La entrada en pérdida ocurre de manera desigual en toda el área del ala y está acompañada por fenómenos correspondientes extremadamente desagradables, como temblores y pérdida de control. Curiosamente, este fenómeno no depende mucho de la velocidad, aunque también afecta, pero la principal razón para que se produzca la entrada en pérdida son las maniobras intensivas, acompañadas de ángulos de ataque supercríticos. Fue por esto que ocurrió el único accidente de la aeronave Il-86, cuando el piloto, queriendo “lucirse” en un avión vacío y sin pasajeros, comenzó a ascender bruscamente, lo que terminó trágicamente.
Resistencia
De la mano con el ascensor viene el arrastre,impidiendo que la aeronave avance. Consta de tres elementos. Estas son la fuerza de fricción debida al efecto del aire sobre la aeronave, la fuerza debida a la diferencia de presión en las áreas delante y detrás del ala, y la componente inductiva discutida anteriormente, ya que el vector de su acción está dirigido no solo hacia arriba, contribuyendo a aumentar la sustentación, sino también hacia atrás, siendo un aliado de la resistencia. Además, uno de los componentes de la resistencia inductiva es la fuerza que se produce debido al flujo de aire a través de los extremos del ala, provocando flujos de vórtice que aumentan el bisel de la dirección del movimiento del aire. La fórmula de resistencia aerodinámica es absolutamente idéntica a la fórmula de fuerza de sustentación, excepto por el coeficiente Su. Cambia al coeficiente Cx y también se determina experimentalmente. Su valor rara vez supera la décima parte de uno.
Relación entre soltar y arrastrar
La relación entre la fuerza de sustentación y la de arrastre se denomina calidad aerodinámica. Una característica debe tenerse en cuenta aquí. Dado que las fórmulas para la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre, a excepción de los coeficientes, son las mismas, se puede suponer que la calidad aerodinámica de la aeronave está determinada por la relación de los coeficientes Cy y Cx. La gráfica de esta relación para ciertos ángulos de ataque se llama ala polar. A continuación se muestra un ejemplo de dicho gráfico.
Los aviones modernos tienen un valor de calidad aerodinámica de alrededor de 17-21, y los planeadores, hasta 50. Esto significa que en los aviones la sustentación del ala está en condiciones óptimas17-21 veces mayor que la fuerza de resistencia. En comparación con el avión de los hermanos Wright, que obtuvo una puntuación de 6,5, el progreso del diseño es obvio, pero el águila con la desafortunada ardilla en sus patas todavía está muy lejos.
Modos de vuelo
Diferentes modos de vuelo requieren diferentes proporciones de elevación a arrastre. En vuelo a nivel de crucero, la velocidad de la aeronave es bastante alta, y el coeficiente de sustentación, proporcional al cuadrado de la velocidad, está en valores altos. Lo principal aquí es minimizar la resistencia. Durante el despegue y especialmente el aterrizaje, el coeficiente de sustentación juega un papel decisivo. La velocidad de la aeronave es baja, pero se requiere su posición estable en el aire. Una solución ideal a este problema sería la creación de un ala adaptativa, que cambia su curvatura e incluso su área dependiendo de las condiciones de vuelo, aproximadamente de la misma manera que lo hacen las aves. Hasta que los diseñadores tuvieron éxito, el cambio en el coeficiente de sustentación se logra mediante el uso de la mecanización del ala, que aumenta tanto el área como la curvatura del perfil, que, al aumentar la resistencia, aumenta significativamente la sustentación. Para los aviones de combate, se utilizó un cambio en el barrido del ala. La innovación hizo posible reducir la resistencia a altas velocidades y aumentar la sustentación a bajas velocidades. Sin embargo, este diseño resultó ser poco fiable, y recientemente se han fabricado aviones de primera línea con un ala fija. Otra forma de aumentar la fuerza de sustentación del ala de un avión es soplar adicionalmente el ala con un flujo de los motores. Esto se ha implementado en el ejército. Aviones de transporte An-70 y A-400M que, debido a esta propiedad, se distinguen por distancias de despegue y aterrizaje más cortas.
