Sustentación - Aerodinámica

¿Qué es la aerodinámica y cómo se genera la sustentación?

Definición de Aerodinámica

• La aerodinámica es la ciencia que estudia las reacciones del aire con objetos en movimiento, específicamente aeronaves.

Viento Relativo

• El viento relativo se define como el movimiento de la masa de aire en relación con la trayectoria de vuelo, siempre opuesto a esta.

• Independientemente de la actitud del avión, el viento relativo sigue siendo opuesto a su trayectoria.

Conceptos Clave: Ángulo de Ataque e Incidencia

• El ángulo de ataque es el ángulo entre el viento relativo y la cuerda aerodinámica, que conecta el borde de ataque y el borde de salida del perfil.

• El ángulo de incidencia es fijo y se forma entre la cuerda aerodinámica y el eje longitudinal del avión.

Fuerzas en Vuelo

• Existen cuatro fuerzas principales que actúan sobre una aeronave: sustentación, peso, empuje y resistencia. La tripulación debe controlarlas para lograr condiciones deseadas durante el vuelo.

Fuerza de Sustentación

• La sustentación (lift), abreviada como L, es perpendicular al viento relativo y generada por el flujo aéreo a través de las alas.

• Esta fuerza siempre actúa perpendicularmente a la trayectoria de vuelo y está contenida entre el plano simétrico del avión.

Teorías sobre la Generación de Sustentación

Principio de Bernoulli

• Este principio establece que un aumento en la velocidad del fluido resulta en una disminución en su presión.

• Se puede observar este efecto en un tubo Venturi donde un fluido acelera al pasar por un estrechamiento, lo que provoca una baja presión.

Comparativa con Perfiles Aerodinámicos

• Al igual que en un tubo Venturi, cuando el aire pasa por un perfil aerodinámico (como un ala), su velocidad aumenta al pasar por áreas más estrechas, resultando en una diferencia de presiones que genera sustentación.

Tercera Ley de Newton

Fuerza de Sustentación y su Generación

Ejemplo de Partículas en Movimiento

• Se presenta un ejemplo con una partícula de aire en movimiento, mostrando cómo genera fuerza de sustentación al pasar por el intradós.

• En el borde de salida, el aire es forzado hacia abajo, creando una reacción que contribuye a la sustentación.

Centro de Presiones

• El centro de presiones (cp) es donde se considera ejercida la sustentación y varía según el ángulo de ataque.

• Aumentar el ángulo de ataque desplaza el centro de presión hacia adelante; reducirlo lo mueve hacia atrás.

Factores que Afectan la Sustentación

Fórmula de Sustentación

• La fórmula incluye densidad del aire (ρ), superficie (S), coeficiente de sustentación (Cl), y velocidad (V).

Densidad del Aire

• Una mayor densidad del aire incrementa la sustentación debido a más partículas interactuando con el perfil.

Superficie

• Incrementar la superficie expuesta al flujo aéreo también aumenta la sustentación.

Velocidad

• Al aumentar la velocidad, más partículas interactúan con el perfil, aumentando así la sustentación. Si se duplica la velocidad, la sustentación se cuadruplica.

Coeficiente de Sustentación

• El coeficiente Cl es proporcional al ángulo de ataque; un mayor ángulo genera más sustentación debido a una mayor diferencia en presiones.

Pérdida Abrupta de Sustentación

Capa Límite

La Capa Límite y su Impacto en la Sustentación

Conceptos Básicos de la Capa Límite

• La capa límite es la región donde el aire se adhiere a la superficie del perfil, afectando sus características aerodinámicas y generando diferencias de presión que producen sustentación.

• Existen dos tipos de flujo: laminar (suave y ordenado) y turbulento (caótico y desordenado). La transición entre estos flujos ocurre en un punto específico conocido como punto de transición.

Flujo Laminar vs. Turbulento

• El flujo turbulento altera la forma efectiva del perfil, incrementando la resistencia, lo cual no es deseable para generar sustentación.

• A medida que aumenta el ángulo de ataque, el punto de transición se desplaza hacia adelante, provocando un cambio a flujo turbulento cerca del borde de fuga.

Separación de la Capa Límite

• Un fluido tiende a moverse desde áreas de alta presión hacia áreas de baja presión; esto puede causar separación del flujo laminar y una transición al flujo turbulento.

• En un perfil aerodinámico, el estrechamiento genera baja presión en el estrado, pero si hay una zona posterior con mayor presión, esto puede provocar que el aire regrese y cause separación.

Pérdida Abrupta de Sustentación

• Cuando se produce separación total de la capa límite en el extrados, hay una pérdida abrupta de sustentación debido a que desaparece el flujo laminar.

• El aumento del flujo turbulento también incrementa exponencialmente la resistencia, reduciendo aún más la velocidad necesaria para mantener sustentación.

Ángulo Crítico y Velocidad de Pérdida

• Aumentar el ángulo de ataque mueve el punto de transición hasta que ya no hay flujo laminar sobre el extrados; este es un indicador clave para iniciar pérdida de sustentación.

• El ángulo crítico es aquel donde un perfil aerodinámico entra en pérdida; varía entre 15° y 22°, dependiendo del diseño del perfil.

• La velocidad crítica o velocidad de pérdida está relacionada con este ángulo crítico; su valor depende también del estado configuracional del avión (con o sin flaps).