¡Volar un dron es muy divertido! Puedes hacer un despegue suave, mantenerlo en el aire, girarlo en cualquier dirección y, incluso, impresionar a tus amigos con maniobras complicadas. Pero, ¿cómo funcionan realmente las mecánicas de vuelo? Si alguna vez te has preguntado eso, este contenido es para ti.
Los drones utilizan motores BLDC (Brushless DC) que son del tipo «Outrunner».
Puedes ver que las hélices están unidas a la cubierta del motor. Las hélices son la parte más importante del dron. Cada sección transversal de la hélice produce una fuerza de sustentación cuando el aire fluye sobre ella debido al principio del perfil aerodinámico. La hélice está diseñada para que la fuerza de sustentación producida a lo largo de su longitud vaya en la misma dirección en ambas partes de la hélice, lo que nos permite representar la fuerza total de sustentación producida por la hélice del dron, como se muestra en la imagen.
El controlador se utiliza para modificar la velocidad del motor. A mayor velocidad de la hélice, mayor será la fuerza de sustentación. Entonces, ¿cómo pasamos de estar en el suelo a elevarnos en el cielo? Es hora de despegar. Simplemente aumenta la velocidad del rotor hasta que la fuerza de sustentación colectiva producida por las hélices supere el peso del dron. En ese momento, el dron se elevará del suelo. Esto se conoce como etapa de ascenso. Cuando has alcanzado la altura necesaria, puedes reducir la velocidad del rotor hasta que la fuerza de sustentación equilibre exactamente el peso del dron. ¡Y ahí lo tienes, la levitación! Técnicamente conocida como mantener el dron en el aire.
En las etapas de despegue y mantenerse en el aire, las cuatro hélices rotan a la misma velocidad.
Pero, ¿has notado algo extraño en esta imagen? Es posible que hayas visto que un par de hélices en diagonal giran en una dirección y el otro par gira en la dirección opuesta. Puede parecer extraño, pero si todas las hélices giraran en la misma dirección, el cuerpo del dron giraría en la dirección opuesta. Veamos por qué es así.
El estator del motor está unido al cuerpo del dron. El rotor del motor gira porque recibe un par del estator. Ahora, según la tercera ley de Newton del movimiento, si el rotor recibe un par del estator, el estator también recibirá un par igual pero en dirección opuesta al del rotor. Si todas las hélices giraran en la misma dirección, el cuerpo del dron recibiría el par de reacción, como se muestra en la imagen.
¿Qué sucedería entonces? El efecto neto de estos cuatro pares de reacción forzaría al cuerpo del dron a girar en la misma dirección del par de reacción o en dirección opuesta a la rotación de las hélices. Al hacer girar los pares de hélices en direcciones opuestas, estamos haciendo que el par de reacción neto sea cero. Interesantemente, la misma física se utiliza para lograr el movimiento de giro en condiciones normales.
Todas las hélices giran a la misma velocidad. El movimiento de giro se logra al hacer girar un par de hélices en diagonal a una velocidad y el otro par a una velocidad diferente. En este caso, el par de reacción no se anula y el cuerpo del dron gira, como se muestra.
Al controlar la palanca de giro del control remoto, esto es lo que sucede. Ahora, vamos a aprender sobre los otros dos movimientos angulares del dron: el cabeceo y el balanceo. El cabeceo y el balanceo de un dron se controlan con la misma palanca y se basan en la misma física. Para hacer que el dron se incline hacia adelante, las hélices delanteras giran a una velocidad más baja y las traseras a una velocidad más alta.
Esto crea una diferencia de fuerza de sustentación entre la parte delantera y trasera, y, por lo tanto, un par neto. El par neto hace que el dron se incline. Para hacer rodar el dron, se aplica el mismo truco a los pares laterales. Aquí, un par lateral gira más rápido y el otro más lento.
Una vez más, el par neto hace que el dron ruede. Una cosa interesante a tener en cuenta tanto en el giro como en el cabeceo es que, aunque estés cambiando la velocidad de las hélices, al sumar los pares de reacción producidos por los motores, se anulan, lo que hace posible la operación estable del dron. Al principio de este contenido, vimos cómo ascender un dron. Ahora, veamos cómo el dron vuela hacia adelante o hacia los lados.
Supongamos que estás inclinando el dron hacia adelante después de alcanzar el ángulo deseado. A continuación, ajustas la velocidad de las hélices para que no se incline aún más. La pregunta es, ¿puede el dron equilibrarse en esta posición inclinada? La respuesta es no.
Para equilibrar el dron, primero debemos equilibrar la fuerza gravitatoria. Supongamos que la velocidad de las hélices se ajusta de tal manera que la componente vertical de la fuerza de la hélice equilibre el peso. Pero aquí viene el problema: la fuerza de la hélice también tiene una componente horizontal. Aunque las fuerzas verticales están equilibradas, la fuerza horizontal no equilibrada moverá el dron en horizontal.
Esto causará una fuerza de arrastre en el cuerpo del dron. El dron aumentará su velocidad horizontal hasta que la fuerza de arrastre coincida con la fuerza horizontal. En resumen, para volar el dron hacia adelante, simplemente inclina hacia abajo el dron y equilibra verticalmente. El dron hará el resto automáticamente al moverse hacia adelante. Para obtener el movimiento lateral, se utiliza la misma física. Inclina el dron hacia un lado y equilibra verticalmente.
Aquí tienes una pregunta para ti: ¿es posible que el dron se mueva en un círculo perfecto? El secreto está en la física del movimiento circular. Agitémoslo y repasemos nuestros principios básicos. Si consideramos un objeto moviéndose en línea recta y siendo afectado por una fuerza siempre perpendicular a su velocidad, el objeto girará en un círculo. Ahora, tienes la respuesta en mente. Por ejemplo, puedes hacer que el dron se mueva en línea recta inclinándolo hacia abajo. Ahora, si también lo balanceas, puedes producir fácilmente una fuerza perpendicular a la velocidad del dron, lo que hará que el dron gire en un círculo.
