Los helicópteros son las verdaderas máquinas voladoras, ya que pueden despegar y aterrizar sin necesidad de una pista, pueden mantenerse en el aire y maniobrar en cualquier dirección en un espacio de 360 grados. Este contenido mostrará la complejidad y la ciencia detrás de volar un helicóptero. Después de entender la física detrás del vuelo de un helicóptero, comprenderás por qué los pilotos de helicóptero realizan un trabajo increíblemente complejo.
Los helicópteros utilizan el principio del ala para generar sustentación. Cuando las palas giran en relación con el aire, la forma especial del ala genera una fuerza de sustentación que los hace volar. Las palas obtienen su rotación de un motor, más específicamente de un motor turboeje. El compresor absorbe el aire y lo presuriza. El combustible se quema en este aire presurizado y caliente. Los gases de escape calientes salen de la cámara de combustión y pasan por una serie de etapas de la turbina, lo que las hace girar. Hay dos juegos de turbinas: un juego hace girar el compresor y el otro hace girar el eje de las palas del helicóptero.
La parte más desafiante de operar un helicóptero son sus controles, es decir, cómo puede moverse hacia adelante, hacia atrás, hacia los lados o girar. La respuesta es bastante simple: solo tienes que girar el helicóptero hacia la dirección en la que deseas moverte y volar. Cuando el helicóptero está inclinado, la fuerza producida por la pala no es vertical. El componente horizontal de esta fuerza hará que el helicóptero se mueva en la dirección deseada, mientras que el componente vertical de la fuerza de la pala equilibrará la fuerza gravitacional.
El reto real está en cómo girar el helicóptero de la manera deseada. Para entender la ciencia detrás del giro de un helicóptero, necesitamos aprender más sobre el principio del ala. La sustentación producida por un ala varía con el ángulo de ataque. En general, cuanto mayor es el ángulo de ataque, mayor es la sustentación. Ahora, piensa por un momento qué sucede si una pala tiene un ángulo de ataque diferente al de las otras palas. Las fuerzas de sustentación que actúan sobre las palas serán diferentes y esto definitivamente resultará en un par que puede hacer girar el helicóptero. Puedes observar el hermoso movimiento de las palas necesario para lograr esta distribución no uniforme de la fuerza de sustentación. Es claro que las palas deben cambiar constantemente su ángulo de ataque para que en una ubicación particular, el ángulo de ataque siempre sea el mismo. Este complejo movimiento de las palas se logra fácilmente mediante un mecanismo de placa basculante.
Pasemos a ver los componentes básicos de este mecanismo de placa basculante. La placa basculante inferior no gira, pero puede moverse e inclinarse como se muestra. Una placa basculante superior se ajusta a la inferior mediante un rodamiento, por lo que la placa basculante superior puede heredar todos los movimientos de la inferior y al mismo tiempo girar de manera independiente. La placa basculante superior se une al eje del rotor con la ayuda de un driver, por lo que la placa basculante superior siempre se moverá junto con las palas. Las palas están conectadas a la placa basculante superior con la ayuda de varillas de control. Lo interesante de este arreglo es que simplemente inclinando la placa basculante inferior podremos lograr el criterio de ángulo variable de las palas, lo que significa que con esta inclinación de la placa basculante siempre podremos mantener un ángulo de ataque positivo en la parte trasera y un ángulo negativo en la parte delantera del disco del rotor. En resumen, inclinar la placa basculante hacia atrás genera un par como se muestra. Este tipo de control se conoce como paso cíclico.
Volviendo al control básico del helicóptero, ¿cómo afectará este par al movimiento del helicóptero? La respuesta más obvia es que el helicóptero girará hacia adelante y se moverá como se muestra. Desafortunadamente, esta respuesta es completamente incorrecta. Lo que sucede en realidad es que el helicóptero girará hacia los lados, como se muestra. Este es definitivamente un efecto extraño: al aplicar un par en una dirección a un objeto en rotación, el objeto gira en una dirección diferente. A este efecto se le conoce como precesión giroscópica. La precesión giroscópica no es un fenómeno nuevo en la física. Si aplicas cuidadosamente la segunda ley del movimiento de Newton a los objetos giratorios, podrás predecir este fenómeno. Según la segunda ley de movimiento de Newton, la fuerza es la tasa de cambio del impulso lineal y el par es la tasa de cambio del impulso angular. Consideremos esta pala en rotación: tendrá un impulso angular, como se muestra. Ahora, supongamos que el helicóptero se ha inclinado como se muestra debido a alguna acción de torque. Si restamos vectorialmente el primer impulso angular del segundo, podremos determinar el torque requerido para esta operación. Es interesante observar que para girar el helicóptero hacia adelante, el torque aplicado debería ser hacia los lados, lo que significa que para inclinar el helicóptero hacia adelante, la placa basculante debe inclinarse hacia los lados, como se muestra. Puedes verificar nuevamente la segunda ley del movimiento de Newton para comprobar que si mantienes la parte delantera con un ángulo de ataque negativo y la parte trasera con un ángulo positivo, el helicóptero simplemente girará hacia los lados. La precesión giroscópica es un fenómeno verdaderamente intrigante, pero se ajusta perfectamente a la segunda ley del movimiento de Newton.
Si solo levantas la placa basculante inferior sin inclinarla, puedes ver cómo el ángulo de ataque de las tres palas variará en la misma cantidad. Esto significa que la fuerza de sustentación del helicóptero será la misma en las tres palas y el helicóptero puede moverse hacia arriba o hacia abajo sin inclinación. Este control de las palas se conoce como paso colectivo. Si alguna vez has visto un helicóptero, seguramente has visto un rotor de cola. Todos los helicópteros con rotor necesitan este rotor de cola para su funcionamiento efectivo. Sin el rotor de cola, la cabina del helicóptero giraría como se muestra, esto es debido a una consecuencia de la tercera ley del movimiento de Newton. Para comprenderlo, centrémonos en la parte de transmisión de fuerza del rotor. Sabemos que el rotor recibe la fuerza de rotación a través de una rueda cónica conectada al motor. La rueda cónica del motor transmite la fuerza a la rueda cónica del rotor, como se muestra. Sin embargo, según la tercera ley del movimiento de Newton, la rueda cónica del rotor debería transmitir una fuerza igual y opuesta a la rueda cónica del motor. Esta fuerza reaccionaria hará que todo el helicóptero gire en sentido contrario a la rotación de las palas, a lo largo del centro de gravedad del helicóptero. La función del rotor de cola es evitar que este giro del helicóptero produzca una fuerza en la cola del helicóptero al ajustar correctamente el ángulo de paso de las palas del rotor de cola, el piloto puede manipular fácilmente la fuerza generada por el rotor de cola. De esta manera, con la ayuda del movimiento de giro del rotor de cola, también se puede lograr el movimiento de guiñada del helicóptero.
Toda la física detrás de la operación de un helicóptero significa que volar un helicóptero es una tarea realmente desafiante. Las pequeñas variaciones en los ángulos de las palas generan grandes variaciones en el comportamiento del helicóptero. A menudo, el piloto tiene que realizar dos o más operaciones juntas para lograr el movimiento deseado. Además, el helicóptero no responde instantáneamente a tus órdenes, por lo que el piloto debe tener un buen sentido del equilibrio y coordinación para maniobrar el helicóptero correctamente. Tu apoyo en patreon.com nos permite crear más videos educativos gratuitos. Por favor, apóyanos en patreon.com. ¡Gracias!
