Esta fuerza de arrastre se produce en los aviones debido a las alas o a un cuerpo de sustentación que redirige el aire para generar sustentación, y en automóviles con alas aerodinámicas que redirigen el aire para generar carga aerodinámica. Samuel Langley notó que las placas más planas y de mayor relación de aspecto tenían mayor elevación y menor resistencia y se introdujeron en 1902. Sin la invención de la calidad aerodinámica de la aeronave, el diseño de aeronaves modernas sería imposible.
Levantar y mover
La fuerza aerodinámica total que actúa sobre un cuerpo generalmente se considera que consta de dos componentes: sustentación y desplazamiento. Por definición, la componente de fuerza paralela al contraflujo se denomina desplazamiento, mientras que la componente perpendicular al contraflujo se denomina sustentación.
Estos conceptos básicos de la aerodinámica son de gran importancia para el análisis de la calidad aerodinámica del ala. La sustentación se produce cambiando la dirección del flujo alrededor del ala. Cambiodirección da como resultado un cambio en la velocidad (incluso si no hay cambio en la velocidad, como se ve en el movimiento circular uniforme), que es la aceleración. Por lo tanto, para cambiar la dirección del flujo, se requiere aplicar una fuerza al fluido. Esto es claramente visible en cualquier avión, basta con mirar la representación esquemática de la calidad aerodinámica del An-2.
Pero no todo es tan simple. Continuando con el tema de la calidad aerodinámica de un ala, vale la pena señalar que la creación de sustentación de aire por debajo se produce a una presión más alta que la presión del aire por encima. En un ala de envergadura finita, esta diferencia de presión hace que el aire fluya desde la base de la superficie inferior del ala hasta la base de su superficie superior. Este flujo de aire volador se combina con el aire que fluye para provocar un cambio en la velocidad y la dirección que tuerce el flujo de aire y crea vórtices a lo largo del borde de salida del ala. Los vórtices creados son inestables, se combinan rápidamente para crear vórtices de ala. Los vórtices resultantes cambian la velocidad y la dirección del flujo de aire detrás del borde de salida, desviándolo hacia abajo y provocando así un aleteo detrás del ala. Desde este punto de vista, por ejemplo, el avión MS-21 tiene un alto nivel de relación sustentación-arrastre.
Control de flujo de aire
Los vórtices, a su vez, cambian el flujo de aire alrededor del ala, lo que reduce la capacidad del ala para generar sustentación, por lo que requiere un ángulo de ataque más alto para la misma sustentación, lo que inclina la fuerza aerodinámica total hacia atrás y aumenta el componente de arrastre de esa fuerza La desviación angular es despreciableafecta a la sustentación. Sin embargo, hay un aumento en la resistencia igual al producto de la sustentación y el ángulo debido al cual se desvía. Dado que la desviación es en sí misma una función de la sustentación, la resistencia adicional es proporcional al ángulo de ascenso, lo que se puede ver claramente en la aerodinámica del A320.
Ejemplos históricos
Un ala planetaria rectangular crea más vibraciones de vórtice que un ala cónica o elíptica, razón por la cual muchas alas modernas se estrechan para mejorar la relación sustentación-resistencia. Sin embargo, el fuselaje elíptico es más eficiente ya que el lavado inducido (y, por lo tanto, el ángulo de ataque efectivo) es constante en toda la envergadura de las alas. Debido a complicaciones de fabricación, pocos aviones tienen esta forma en planta, siendo los ejemplos más famosos el Spitfire y el Thunderbolt de la Segunda Guerra Mundial. Las alas ahusadas con bordes delanteros y traseros rectos pueden aproximarse a una distribución de sustentación elíptica. Como regla general, las alas rectas no ahusadas producen un 5 % y las alas ahusadas producen un 1-2 % más de resistencia inducida que un ala elíptica. Por lo tanto, tienen mejor calidad aerodinámica.
Proporcionalidad
Un ala de alta relación de aspecto producirá menos resistencia inducida que un ala de baja relación de aspecto porque hay menos perturbación del aire en la punta de un ala más larga y delgada. Por lo tanto, la inducidala resistencia puede ser inversamente proporcional a la proporcionalidad, por paradójico que parezca. La distribución de sustentación también se puede cambiar lavando, girando el ala para reducir la caída hacia las alas y cambiando el perfil aerodinámico cerca de las alas. Esto le permite tener más sustentación más cerca de la raíz del ala y menos al ala, lo que conduce a una disminución en la fuerza de los vórtices del ala y, en consecuencia, a una mejora en la calidad aerodinámica de la aeronave.
En la historia del diseño de aeronaves
En algunos de los primeros aviones, las aletas estaban montadas en las puntas de las colas. Los aviones posteriores tienen una forma de ala diferente para reducir la intensidad de los vórtices y lograr la máxima relación sustentación-resistencia.
Los tanques de combustible del impulsor en la azotea también pueden proporcionar algún beneficio al evitar el flujo de aire caótico alrededor del ala. Ahora se utilizan en muchos aviones. La calidad aerodinámica del DC-10 se consideró merecidamente revolucionaria en este sentido. Sin embargo, el mercado de la aviación moderna se ha reabastecido durante mucho tiempo con modelos mucho más avanzados.
Fórmula de arrastrar a arrastrar: explicada en términos simples
Para calcular la resistencia total es necesario tener en cuenta la denominada resistencia parásita. Dado que la resistencia inducida es inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica (en una sustentación dada), mientras que la resistencia parásita es directamente proporcional a ella, la curva de resistencia general muestra la velocidad mínima. Avión,volando a tal velocidad, opera con óptimas cualidades aerodinámicas. De acuerdo con las ecuaciones anteriores, la velocidad de resistencia mínima ocurre a una velocidad en la que la resistencia inducida es igual a la resistencia parásita. Esta es la velocidad a la que se alcanza el ángulo de deslizamiento óptimo para aeronaves inactivas. Para no ser infundado, considere la fórmula en el ejemplo de un avión:
La continuación de la fórmula también es bastante curiosa (en la foto a continuación): Volar más alto, donde el aire es más delgado, aumentará la velocidad a la que se produce la mínima resistencia y, por lo tanto, permitirá viajar más rápido con la misma cantidad de combustible.
Si un avión vuela a la velocidad máxima permitida, la altitud a la que la densidad del aire le proporcionará la mejor calidad aerodinámica. La altitud óptima a la máxima velocidad y la velocidad óptima a la máxima altitud pueden cambiar durante el vuelo.
Resistencia
Velocidad para resistencia máxima (es decir, tiempo en el aire) es la velocidad para consumo mínimo de combustible y menos velocidad para alcance máximo. El consumo de combustible se calcula como el producto de la potencia requerida y el consumo específico de combustible por motor (consumo de combustible por unidad de potencia). La potencia requerida es igual al tiempo de arrastre.
Historia
El desarrollo de la aerodinámica moderna comenzó recién en el siglo XVIIsiglos, pero las fuerzas aerodinámicas han sido utilizadas por humanos durante miles de años en veleros y molinos de viento, y las imágenes e historias de vuelo aparecen en todos los documentos históricos y obras de arte, como la antigua leyenda griega de Ícaro y Dédalo. Los conceptos fundamentales de continuo, resistencia y gradientes de presión aparecen en la obra de Aristóteles y Arquímedes.
En 1726, Sir Isaac Newton se convirtió en la primera persona en desarrollar la teoría de la resistencia del aire, convirtiéndola en uno de los primeros argumentos sobre las cualidades aerodinámicas. El matemático holandés-suizo Daniel Bernoulli escribió un tratado en 1738 llamado Hydrodynamica en el que describió la relación fundamental entre la presión, la densidad y la velocidad del flujo para un flujo incompresible, conocido hoy como el principio de Bernoulli, que proporciona un método para calcular la sustentación aerodinámica. En 1757, Leonhard Euler publicó las ecuaciones de Euler más generales, que se pueden aplicar tanto a flujos compresibles como incompresibles. Las ecuaciones de Euler se ampliaron para incluir los efectos de la viscosidad en la primera mitad del siglo XIX, dando lugar a las ecuaciones de Navier-Stokes. El rendimiento aerodinámico/la calidad aerodinámica del polar se descubrió casi al mismo tiempo.
Basándose en estos eventos, así como en la investigación realizada en su propio túnel de viento, los hermanos Wright volaron el primer avión el 17 de diciembre de 1903.
Tipos de aerodinámica
Los problemas aerodinámicos se clasifican según las condiciones de flujo o las propiedades de flujo, incluidas características como la velocidad, la compresibilidad y la viscosidad. Generalmente se dividen en dos tipos:
- La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de varias formas. Ejemplos de aerodinámica externa son la evaluación de sustentación y resistencia en un avión, o las ondas de choque que se forman frente a la punta de un misil.
- La aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes en objetos sólidos. Por ejemplo, la aerodinámica interna cubre el estudio del flujo de aire a través de un motor a reacción o a través de una chimenea de aire acondicionado.
Los problemas aerodinámicos también se pueden clasificar según las velocidades de flujo por debajo o cerca de la velocidad del sonido.
El problema se llama:
- subsónico, si todas las velocidades en el problema son menores que la velocidad del sonido;
- transonic si hay velocidades por debajo y por encima de la velocidad del sonido (generalmente cuando la velocidad característica es aproximadamente igual a la velocidad del sonido);
- supersónico, cuando la velocidad característica del flujo es mayor que la velocidad del sonido;
- hipersónico, cuando la velocidad del flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido.
Los aerodinámicos no están de acuerdo con la definición exacta de flujo hipersónico.
El efecto de la viscosidad sobre el flujo dicta una tercera clasificación. Algunos problemas pueden tener solo efectos viscosos muy pequeños, en cuyo caso la viscosidad puede considerarse insignificante. Las aproximaciones a estos problemas se denominan invisibles.corrientes Los flujos para los que no se puede despreciar la viscosidad se denominan flujos viscosos.
Compresibilidad
Un flujo incompresible es un flujo en el que la densidad es constante tanto en el tiempo como en el espacio. Aunque todos los fluidos reales son comprimibles, el flujo a menudo se aproxima como incompresible si el efecto de un cambio en la densidad provoca solo pequeños cambios en los resultados calculados. Esto es más probable cuando la tasa de flujo está muy por debajo de la velocidad del sonido. Los efectos de la compresibilidad son más significativos a velocidades cercanas o superiores a la velocidad del sonido. El número de Mach se utiliza para evaluar la posibilidad de incompresibilidad; de lo contrario, se deben incluir los efectos de la compresibilidad.
Según la teoría de la aerodinámica, el flujo se considera comprimible si la densidad cambia a lo largo de la línea de corriente. Esto significa que, a diferencia de un flujo incompresible, se tienen en cuenta los cambios de densidad. En general, este es el caso cuando el número de Mach de una parte o la totalidad del flujo excede 0, 3. El valor de Mach de 0, 3 es bastante arbitrario, pero se usa porque un flujo de gas por debajo de este valor muestra cambios de densidad de menos del 5%. Además, el cambio máximo de densidad del 5 % se produce en el punto de estancamiento (el punto del objeto donde la velocidad del flujo es cero), mientras que la densidad alrededor del resto del objeto será mucho menor. Los flujos transónicos, supersónicos e hipersónicos son comprimibles.
Conclusión
La aerodinámica es una de las ciencias más importantes del mundo actual. ella nos proporcionaconstruir aviones, barcos, automóviles y lanzaderas cómicas de calidad. Desempeña un papel muy importante en el desarrollo de tipos modernos de armas: misiles balísticos, propulsores, torpedos y drones. Todo esto sería imposible si no fuera por los modernos conceptos avanzados de calidad aerodinámica.
Así, las ideas sobre el tema del artículo cambiaron de hermosas, pero ingenuas fantasías sobre Ícaro, a aeronaves funcionales y realmente funcionales que surgieron a principios del siglo pasado. Hoy no podemos imaginar nuestras vidas sin automóviles, barcos y aviones, y estos vehículos continúan mejorando con nuevos avances en aerodinámica.
Las cualidades aerodinámicas de los planeadores fueron un verdadero avance en su época. Al principio, todos los descubrimientos en esta área se hicieron por medio de cálculos teóricos abstractos, a veces divorciados de la realidad, que fueron llevados a cabo por matemáticos franceses y alemanes en sus laboratorios. Más tarde, todas sus fórmulas se utilizaron para otros propósitos más fantásticos (para los estándares del siglo XVIII), como calcular la forma y la velocidad ideales de los futuros aviones. En el siglo XIX, estos dispositivos comenzaron a construirse en grandes cantidades, comenzando con planeadores y aeronaves, los europeos cambiaron gradualmente a la construcción de aviones. Estos últimos se utilizaron por primera vez exclusivamente con fines militares. Los ases de la Primera Guerra Mundial demostraron cuán importante es el tema del dominio en el aire para cualquier país, y los ingenieros del período de entreguerras descubrieron que tales aviones son efectivos no solo para los militares, sino también para los civiles.metas. Con el tiempo, la aviación civil ha entrado firmemente en nuestras vidas, y hoy en día ningún estado puede prescindir de ella.
