La aerodinámica es un campo del conocimiento que estudia el movimiento de los flujos de aire y sus efectos sobre los cuerpos sólidos. Es una subsección de dinámica de hidro y gas. La investigación en esta área se remonta a la antigüedad, a la época de la invención de las flechas y las lanzas de planificación, que permitieron lanzar un proyectil más lejos y con mayor precisión a un objetivo. Sin embargo, el potencial de la aerodinámica se reveló por completo con la invención de vehículos más pesados que el aire capaces de volar o planear distancias considerables.
Desde la antigüedad
El descubrimiento de las leyes de la aerodinámica en el siglo XX contribuyó a un s alto fantástico en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, especialmente en el sector del transporte. Sobre la base de sus logros, se crearon aviones modernos que permitieron hacer accesible al público prácticamente cualquier rincón del planeta Tierra.
La primera mención de un intento de conquistar el cielo se encuentra en el mito griego de Ícaro y Dédalo. Padre e hijo construyeron alas de pájaro. Esto indica que hace miles de años la gente pensó en la posibilidad de despegar.
Otra oleadaEl interés por la construcción de aeronaves surgió durante el Renacimiento. El apasionado investigador Leonardo da Vinci dedicó mucho tiempo a este problema. Son conocidas sus notas, que explican los principios de funcionamiento del helicóptero más sencillo.
Nueva era
Isaac Newton hizo el avance mundial en la ciencia (y en la aeronáutica en particular). Después de todo, la base de la aerodinámica es una ciencia integral de la mecánica, cuyo fundador fue un científico inglés. Newton fue el primero en considerar el medio aéreo como un conglomerado de partículas que, al chocar con un obstáculo, se adhieren a él o se reflejan elásticamente. En 1726, presentó al público la teoría de la resistencia del aire.
Posteriormente, resultó que el medio ambiente en realidad se compone de las partículas más pequeñas: las moléculas. Aprendieron a calcular la reflectividad del aire con bastante precisión, y el efecto de "adherencia" se consideró una suposición insostenible.
Sorprendentemente, esta teoría encontró aplicación práctica siglos después. En los años 60, en los albores de la era espacial, los diseñadores soviéticos se enfrentaron al problema de calcular la resistencia aerodinámica de los vehículos de descenso de forma esférica "roma", que desarrollan velocidades hipersónicas al aterrizar. Debido a la f alta de computadoras potentes, fue problemático calcular este indicador. Inesperadamente, resultó que es posible calcular con precisión el valor de arrastre e incluso la distribución de la presión sobre la parte frontal usando la fórmula simple de Newton sobre el efecto de "pegar" partículas a un objeto volador.
Desarrollo de la aerodinámica
FundadorEl hidrodinámico Daniel Bernoulli describió en 1738 la relación fundamental entre presión, densidad y velocidad para el flujo incompresible, conocida hoy como el principio de Bernoulli, que también es aplicable a los cálculos de sustentación aerodinámica. En 1799, Sir George Cayley se convirtió en la primera persona en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo (peso, sustentación, arrastre y empuje) y las relaciones entre ellas.
En 1871, Francis Herbert Wenham creó el primer túnel de viento para medir con precisión las fuerzas aerodinámicas. Invaluables teorías científicas desarrolladas por Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff, Lord Rayleigh. En 1889, Charles Renard, un ingeniero aeronáutico francés, se convirtió en la primera persona en calcular científicamente la potencia necesaria para un vuelo sostenido.
De la teoría a la práctica
En el siglo XIX, los inventores observaron el ala desde un punto de vista científico. Y gracias al estudio del mecanismo del vuelo de las aves se estudió la aerodinámica en acción, que luego se aplicó a las aeronaves artificiales.
Otto Lilienthal se destacó especialmente en la investigación de la mecánica de las alas. El diseñador de aviones alemán creó y probó 11 tipos de planeadores, incluido un biplano. También realizó el primer vuelo en un aparato más pesado que el aire. Durante una vida relativamente corta (46 años), realizó unos 2000 vuelos, mejorando constantemente el diseño, que se parecía más a un ala delta que a un avión. Murió durante el siguiente vuelo el 10 de agosto de 1896, convirtiéndose en un pionero.aeronáutica, y la primera víctima de un accidente aéreo. Por cierto, el inventor alemán entregó personalmente uno de los planeadores a Nikolai Yegorovich Zhukovsky, un pionero en el estudio de la aerodinámica de los aviones.
Zhukovsky no solo experimentó con diseños de aeronaves. A diferencia de muchos entusiastas de la época, consideró principalmente el comportamiento de las corrientes de aire desde un punto de vista científico. En 1904 fundó el primer instituto aerodinámico del mundo en Cachino, cerca de Moscú. Desde 1918, dirigió el TsAGI (Instituto Aerohidrodinámico Central).
Primeros aviones
La aerodinámica es la ciencia que permitió al hombre conquistar el cielo. Sin estudiarlo, sería imposible construir aviones que se muevan de manera estable en las corrientes de aire. El primer avión en nuestro sentido habitual fue fabricado y levantado en el aire el 7 de diciembre de 1903 por los hermanos Wright. Sin embargo, este evento fue precedido por un cuidadoso trabajo teórico. Los estadounidenses dedicaron mucho tiempo a depurar el diseño del fuselaje en un túnel de viento diseñado por ellos mismos.
Durante los primeros vuelos, Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta y Nikolai Zhukovsky propusieron teorías que explicaban la circulación de las corrientes de aire que crean sustentación. Kutta y Zhukovsky continuaron desarrollando una teoría bidimensional del ala. A Ludwig Prandtl se le atribuye el desarrollo de la teoría matemática de las fuerzas aerodinámicas y de sustentación sutiles, así como el trabajo con las capas límite.
Problemas y Soluciones
La importancia de la aerodinámica de los aviones aumentó a medida que aumentaba su velocidad. Los diseñadores comenzaron a tener problemas para comprimir el aire a la velocidad del sonido o cerca de ella. Las diferencias en el flujo bajo estas condiciones han llevado a problemas de manejo de aeronaves, aumento de la resistencia debido a las ondas de choque y la amenaza de falla estructural debido al aleteo aeroelástico. La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido se denominó número de Mach en honor a Ernst Mach, quien fue uno de los primeros en investigar las propiedades del flujo supersónico.
William John McQuorn Rankine y Pierre Henri Gougoniot desarrollaron de forma independiente la teoría de las propiedades del flujo de aire antes y después de una onda de choque, mientras que Jacob Akeret realizó el trabajo inicial para calcular la sustentación y la resistencia aerodinámica de superficies aerodinámicas supersónicas. Theodor von Karman y Hugh Latimer Dryden acuñaron el término "transónico" para describir velocidades en el límite de Mach 1 (965-1236 km/h), cuando la resistencia aumenta rápidamente. La primera barrera del sonido se rompió en 1947 en un avión Bell X-1.
Características principales
Según las leyes de la aerodinámica, para garantizar el vuelo en la atmósfera terrestre de cualquier dispositivo, es importante saber:
- Resistencia aerodinámica (eje X) ejercida por las corrientes de aire sobre un objeto. En base a este parámetro, se selecciona la potencia de la planta de energía.
- Fuerza de elevación (eje Y), que proporciona ascenso y permite que el dispositivo vuele horizontalmente a la superficie de la tierra.
- Momentos de fuerzas aerodinámicas a lo largo de tres ejes de coordenadas que actúan sobre un objeto volador. lo más importantees el momento de la fuerza lateral a lo largo del eje Z (Mz) dirigida a través de la aeronave (condicionalmente a lo largo de la línea del ala). Determina el grado de estabilidad longitudinal (si el dispositivo se "zambullirá" o levantará el morro cuando vuele).
Clasificación
El rendimiento aerodinámico se clasifica según las condiciones y propiedades del flujo de aire, incluidas la velocidad, la compresibilidad y la viscosidad. La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de varias formas. Algunos ejemplos son la evaluación de la sustentación y las vibraciones de un avión, así como las ondas de choque que se forman frente a la punta de un misil.
La aerodinámica interna es el estudio del flujo de aire que se mueve a través de aberturas (pasajes) en objetos sólidos. Por ejemplo, cubre el estudio de los flujos a través de un motor a reacción.
El rendimiento aerodinámico también se puede clasificar según la velocidad del flujo:
- Subsónico se llama una velocidad menor que la velocidad del sonido.
- Transónico (transónico): si hay velocidades por debajo y por encima de la velocidad del sonido.
- Supersónico: cuando la velocidad del flujo es mayor que la velocidad del sonido.
- Hipersónico: la velocidad del flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Por lo general, esta definición significa velocidades con números de Mach superiores a 5.
Aerodinámica de helicópteros
Si el principio del vuelo de un avión se basa en la fuerza de sustentación durante el movimiento de traslación ejercido sobre el ala, entonces el helicóptero, por así decirlo, crea sustentación por sí mismo debido a la rotación de las palas en el modo de soplado axial (es decir, sin velocidad de traslación). Gracias aCon esta función, el helicóptero puede flotar en el aire y realizar maniobras enérgicas alrededor del eje.
Otras aplicaciones
Naturalmente, la aerodinámica es aplicable no solo a los aviones. La resistencia del aire la experimentan todos los objetos que se mueven en el espacio en un medio gaseoso y líquido. Se sabe que los habitantes acuáticos, peces y mamíferos, tienen formas aerodinámicas. En su ejemplo, puede rastrear la aerodinámica en acción. Centrándonos en el mundo animal, las personas también hacen que el transporte de agua sea puntiagudo o en forma de lágrima. Esto se aplica a barcos, botes, submarinos.
Los vehículos experimentan una importante resistencia del aire: aumenta a medida que aumenta la velocidad. Para lograr una mejor aerodinámica, los automóviles tienen una forma aerodinámica. Esto es especialmente cierto para los autos deportivos.
