Los aviones modernos son verdaderas maravillas de la ingeniería. Superan corrientes de aire altamente turbulentas e impredecibles y completan sus vuelos realizando numerosas maniobras complejas. ¿Alguna vez te has preguntado cómo los pilotos logran esto o qué le sucede al avión cuando el piloto opera ciertos controles? En este artículo exploraremos cómo vuela un avión y cómo los pilotos son capaces de controlarlo de una manera lógica pero simple. Damos las gracias a SimScale por brindar su apoyo en CFD y hacer este contenido más informativo.
Alas y Colas de los aviones modernos
Una cosa interesante que notarás es que las alas y colas de los aviones no están hechas como una sola pieza sólida. Tienen muchas partes móviles. Lo más fascinante de todo es que forman una forma muy especial en mecánica de fluidos llamada forma de perfil aerodinámico. Simplemente entendiendo la física detrás de esta forma simple podrás comprender completamente la física del avión. Aprendamos más sobre los perfiles aerodinámicos.
Perfil aerodinámico
Un perfil aerodinámico produce una fuerza de sustentación cuando se mueve en relación al aire. Esta fuerza de sustentación hace que un avión vuele. ¿Cómo se produce esta sustentación? El perfil aerodinámico produce un flujo ascendente (downwash) como se muestra. Esto crea una diferencia de presión en la parte superior e inferior del perfil y, por lo tanto, produce sustentación. Un análisis CFD de alta calidad utilizando el software SimScale ilustra claramente este hecho. En general, cuanto mayor es el ángulo de ataque, mayor será el flujo ascendente y, por lo tanto, la fuerza de sustentación. Una mayor velocidad del aire también aumenta significativamente la fuerza de sustentación.
Curiosamente, en el primer vuelo exitoso de la humanidad, el Wright Flyer también utilizó el mismo principio de perfil aerodinámico. Aunque sus perfiles aerodinámicos tenían una forma curva simple, era suficiente para producir un buen flujo ascendente. Específicamente, su avión tenía dos perfiles aerodinámicos. Otra idea para aumentar la fuerza de sustentación es alterar la forma del perfil aerodinámico. Esta alteración en la forma definitivamente aumentará el flujo ascendente y el área de las alas, lo que resultará en una mayor sustentación. En resumen, hay tres técnicas para aumentar la sustentación de un perfil aerodinámico.
Controlando el avión
Aplicamos este conocimiento del perfil aerodinámico al avión. Si activamos los flaps y slats, aumentamos el flujo ascendente y, por ende, la sustentación. Los alerones pueden moverse hacia arriba y hacia abajo, lo que hará que la fuerza de sustentación disminuya o aumente, respectivamente. En la cola del avión, podemos ver dos elementos: el timón y los elevadores. Al ajustar los elevadores, se puede controlar la fuerza vertical en la cola. Al ajustar el timón, se puede controlar la fuerza horizontal.
Despegue
En la fase de despegue del vuelo, para que el avión pueda despegar del suelo, lo que se debe hacer es aumentar la fuerza de sustentación utilizando diversas técnicas y asegurarse de que esta fuerza sea mayor que la gravedad. Los pilotos aplican todas las técnicas de aumento de la sustentación juntas para un despegue exitoso. Primero, se aumenta la velocidad del avión aumentando la potencia de los motores. Cuando la velocidad del avión es lo suficientemente alta, los pilotos activan los flaps y los slats para aumentar aún más la sustentación. Cuando el avión está listo para despegar, activan los elevadores hacia arriba y la fuerza de la cola inclina el avión, al aumentar el ángulo de ataque del perfil aerodinámico, la sustentación aumenta bruscamente y el avión despega. Por lo general, se mantiene un ángulo de ataque de 15 grados para el despegue.
Sistemas de Propulsión
En todas estas discusiones estamos hablando de la potencia de los motores. Pero, ¿cómo genera el motor esta fuerza de empuje? Los aviones modernos utilizan motores especiales llamados motores turbofan para este propósito. En estos motores, la reacción del ventilador y la fuerza de reacción de los gases de escape proporcionan el empuje necesario. Al quemar más combustible, el piloto puede lograr más empuje. El combustible de un avión se almacena dentro de las alas. Después del despegue, llega la fase de ascenso del avión. Mientras la potencia de los motores sea mayor que la resistencia, la velocidad del avión seguirá aumentando. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la fuerza de sustentación, lo que hará que el avión suba. Cuando el avión alcanza el vuelo nivelado, no habrá aceleración ni cambio de altitud. En esa condición, el empuje debe ser exactamente igual a la resistencia y la sustentación debe ser exactamente igual al peso del avión.
Cambio de dirección del avión
Podrías pensar que solo ajustando el timón podrías cambiar la dirección del avión. El timón produce una fuerza horizontal que puede girar el avión. Sin embargo, un cambio directo de dirección de esta manera causaría molestias a los pasajeros y no es un método práctico para girar. Lo que necesitas es una fuerza centrífuga. Veamos cómo los pilotos logran esto. Simplemente hacen que un alerón suba y el otro baje. La diferencia en la fuerza de sustentación hará que el avión se balancee en esta condición de balanceo, la fuerza de sustentación no es vertical y el componente horizontal de la sustentación puede proporcionar la fuerza centrífuga necesaria para inclinar el avión. De esta manera, el piloto puede girar con cualquier radio dependiendo del ángulo de balanceo y la velocidad del avión. Sin embargo, esta técnica de inclinación tiene algunas desventajas. Cuando se mantiene un alerón levantado y el otro bajado, la fuerza de arrastre en las alas no es la misma. Esto hará que el avión cabecee. El timón debe operarse simultáneamente para evitar este cabeceo.
La forma en que los pilotos controlan los diferentes elementos de las alas y todo el avión se ilustra en esta animación. En la práctica, una computadora controla con precisión todos estos elementos de las alas mediante un sistema fly-by-wire. Para descender el avión, los pilotos reducen el empuje de los motores y mantienen la nariz del avión hacia abajo. Puedes ver que esto es exactamente lo contrario a la operación de ascenso. A medida que el avión pierde velocidad, se prepara para aterrizar. En esta etapa, los flaps y slats se activan nuevamente. Estos dispositivos también aumentan la resistencia. Para aumentar aún más la resistencia, se activa un dispositivo llamado spoiler. Los pilotos utilizan otra técnica aquí para reducir la distancia de frenado, que es el empuje inverso. Aquí, las tapas del motor se abren por completo y el aire que debería ir hacia atrás se dirige con fuerza hacia adelante. Esto, obviamente, genera empuje inverso y facilita la detención del avión.
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