Cómo explicar cómo vuelan los aviones a un estudiante de secundaria

Un avión es una máquina voladora con alas fijas o variables diseñadas para volar y generalmente funciona con motores. Obtiene la fuerza de elevación necesaria debido a sus alas y obtiene la potencia propulsora de los motores. En primer lugar, háganos saber acerca de cómo se eleva el enorme avión en el aire.

El principio de la fuerza de elevación de los aviones: un avión se eleva en el aire debido a la gran elevación aerodinámica proporcionada por sus alas. Las alas tienen la forma de un perfil aerodinámico. Si vemos claramente la sección transversal del ala, encontraremos que la superficie superior del ala o el perfil aerodinámico tiene una forma curva, que la superficie inferior. Cuando el avión se mueve por el aire, el aire fluye a su alrededor. Cuando este aire que fluye a alta velocidad golpea la superficie superior del ala, cambia su dirección y su velocidad.

Del mismo modo, el aire a través de la superficie inferior del ala se mueve relativamente más lento que el aire de la superficie superior.

El aire de alta velocidad tiene menos presión y, de manera similar, el aire de baja velocidad tiene alta presión. Por lo tanto, vemos que la superficie inferior tiene alta presión y la superficie superior tiene baja presión. Esta diferencia de presión entre la superficie superior e inferior crea una fuerza llamada Elevación aerodinámica o simplemente Elevación. Este principio se conoce comúnmente como el Principio de Bernoulli.

en el perfil, empujándolo hacia arriba. Esto se llama Elevación. Otra explicación de la elevación es la famosa ley: la Tercera Ley del Movimiento de Newton, que establece que “ Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta”. Si vemos el perfil, veremos que la superficie superior está curvada hacia abajo. Como dije anteriormente, el aire de la superficie superior cambia su velocidad. No solo cambia su velocidad, sino también su dirección. Como la superficie superior está curvada hacia abajo, el aire acelerado de alta velocidad también se mueve hacia abajo. Debido a esto, el aire de la superficie inferior también golpea el aire de alta velocidad y se mueve hacia abajo. Esto tiene una reacción opuesta de que la superficie de sustentación se empuja hacia arriba.

¿Qué es el ángulo de ataque?

El ángulo de ataque es el ángulo entre la línea de acorde del perfil aerodinámico y la dirección del viaje o viento relativo. La línea de acorde es la línea dibujada desde el borde delantero hasta el borde trasero de la superficie de sustentación.

Fórmula para la fuerza de elevación:

L = 0.5 * Densidad del aire * Coeficiente de elevación * Cuadrado de velocidad * Área del ala.

Nota: – Coeficiente de elevación = 2 * (22/7) * A,

donde A = ángulo de ataque (en radianes)

Ahora, llegaremos a la fase de despegue. El despegue es la fase de un vuelo cuando las ruedas del avión salen de la pista.

Ahora la pregunta es cómo despega un avión. Imagina que el avión está corriendo por la pista. Si observamos el avión con mucho cuidado, veremos que el cuerpo del avión está ligeramente inclinado hacia adelante. Esto se debe a que el tren de morro es más corto que el tren de aterrizaje principal ubicado debajo de las alas. Esto se hace para que el piloto tenga una mejor vista de la pista. Debido a esta inclinación hacia adelante del cuerpo del avión, el ángulo de ataque es negativo . Dado que el ángulo de ataque es directamente proporcional a la fuerza de elevación, la elevación producida también es negativa.

Pero para el despegue, se necesita un impulso positivo. Para obtener la elevación positiva, la nariz del avión debe estar en el aire. Para hacer esto, el piloto retira la columna de control. Debido a esto, el elevador o las alas de la cola se pliegan hacia arriba. Debido a este ángulo de ataque en el ascensor es negativo y la cola del avión se mueve hacia abajo. La nariz del avión ahora se mueve hacia arriba y la fuerza de elevación supera la fuerza de peso del avión y despega. Este proceso se conoce como rotación.

¿Cómo los aviones consiguen que la fuerza propulsora se mueva? : Las aeronaves generalmente funcionan con motores de pistón (equipados con una hélice) y motores a reacción, que funcionan según el principio de la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Háganos saber acerca de cada uno de estos uno por uno.

Motor de pistón: el motor de pistón es un tipo de motor alternativo donde el motor convierte la presión en un movimiento giratorio. En el primer golpe, el pistón se mueve hacia abajo. La presión dentro de la cámara de combustión disminuye. Esto abre una válvula de entrada desde donde se inyecta la mezcla de combustible y aire en su interior. En el segundo golpe, el pistón se mueve hacia arriba, comprimiendo la mezcla de combustible y aire. La mezcla se calienta. Luego se dispara una bujía en esta mezcla calentada. La mezcla ahora está encendida. Los gases en expansión conducen el pistón hacia abajo, lo que resulta en el tercer golpe. En el cuarto golpe, el pistón se mueve hacia arriba nuevamente. La fuerza resultante expulsa la mezcla quemada a través del puerto de escape. Este proceso se repite continuamente. Hay un cigüeñal conectado al pistón, que a su vez impulsa la hélice, ayudando a la aeronave a avanzar.

Un avión con motor de pistón:

Boeing 377 Stratocruiser

• Turbopropulsores: son un tipo de avión de hélice. Pero lo principal en el turbopropulsor es que la hélice es impulsada por un motor a reacción en lugar de un motor de pistón.

Diagrama de trabajo de turbohélice—

Un avión con turbohélice: ATR 72

Motor a reacción: el motor a reacción funciona de manera bastante diferente. Los motores a reacción modernos son motores turbofan. El ventilador extrae el aire de la parte delantera del motor. La mayor parte del aire pasa a través del conducto de derivación. El aire restante pasa a través del núcleo. Pasa a través de una serie de compresores, a saber, compresores de baja y alta presión. El aire se calienta a una temperatura de aproximadamente 450 grados centígrados . Luego pasa a través de los difusores, donde la velocidad del aire disminuye. El combustible se agrega en este aire caliente y la mezcla de combustible y aire comienza a arder furiosamente. La temperatura dentro de la cámara de combustión alcanza hasta 2000 grados centígrados . Los gases en expansión ahora pasan a través de las turbinas de alta y baja presión. La energía se extrae de los gases para hacer girar el gran ventilador en la parte delantera, tirando del aire. Los gases salen del motor desde el núcleo. El aire de escape del conducto de derivación y el núcleo contribuyen al empuje. La mayor parte del empuje es aportado por el aire de derivación. La principal diferencia entre un turborreactor y un turboventilador es que el turborreactor no tiene ventilador en la parte delantera. El motor a reacción se basa en la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Los gases de escape salen de la boquilla a una velocidad de 340 m / sa 400 m / s. Este forcr tiene una reacción igual y opuesta en el motor empujando el avión hacia adelante. El empuje de los motores a reacción varía desde aproximadamente 22000 Newtons para el Rolls Royce Ghost Turbojet del De Havilland DH106 Comet hasta 569000 Newtons para el General Electric GE 90-115B del Boeing 777–300 ER.

Un motor a reacción

• Turborreactor

Un avión propulsado por Turbojet; Aerospatiale BAC Concorde

• Turbofan

Un avión con turboventilador: Airbus A340–642

Espero que hayas recibido tu respuesta. Disfrútala…

La mayoría de las explicaciones del vuelo en avión son engañosas. La realidad es muy simple, y para mí no puedo entender por qué la gente prefiere explicaciones complicadas (y medio hacia atrás) sobre la simple verdad.

Si alguna vez se para cerca de un helicóptero flotante o debajo de un avión de aterrizaje, inmediatamente sabe por qué vuelan los aviones: empujan una gran cantidad de aire hacia abajo . Las alas de los aviones tienen la forma que tienen porque es una forma extremadamente efectiva para cambiar la dirección del flujo de aire. Entonces, a medida que el avión se mueve hacia adelante, el aire que corta se desvía hacia abajo por el ala . Sabemos por la tercera ley de Newton que “cada acción tiene una reacción igual y opuesta”, por lo que empujando el aire hacia abajo, el avión debe ser empujado hacia arriba.

Los aviones vuelan porque la fuerza que ejercen sobre el aire es mayor que la fuerza que ejerce la gravedad sobre el avión. Aplicar fuerza a un fluido hace que fluya, por lo que el aire fluye hacia abajo. ¡Sencillo!

Otras explicaciones son menos precisas y menos generales. Por ejemplo, muchos aviones (como aviones de combate y aviones de acrobacias) pueden generar elevación y volar al revés, por lo que claramente el argumento “el aire toma un camino de viaje más largo sobre la parte superior del ala” está mal. De hecho, no hay razón para que el aire sobre la parte superior tome el mismo tiempo para viajar a la parte trasera del ala que el aire debajo. Puede ir más rápido o más lento, o lo mismo, dependiendo de la geometría del ala y el ángulo de ataque. Entonces el argumento “el aire más rápido tiene una presión más baja” se desmorona rápidamente. Cuando esta premisa era lo único que guiaba el diseño de los perfiles aerodinámicos, los aviones apestaban. Lo sabemos mejor ahora.

¿Todo lo que la mayoría de la gente dice sobre una mayor presión debajo del ala? Sí, esos diferenciales de presión están ahí. Se mide fácilmente. Pero la explicación es al revés. Todo lo que empuja el aire tiene una zona de alta presión en la superficie que empuja. En lugar de centrarse en el simple hecho de que el ala está empujando el aire como una aspa del ventilador, la gente quiere pensar que los aviones son complicados. La ley de Bernoulli es excelente, pero es completamente innecesario que los aviones vuelen. Todo lo que necesitas es empujar el aire hacia abajo.

Los aviones trabajan en las simples leyes de la física.

En primer lugar, es vital comprender el papel desempeñado por cada componente del avión. Los motores proporcionan empuje para mover el avión hacia adelante que hace que el aire fluya rápidamente sobre las alas. Las alas luego dirigen el flujo del aire, empujándolo hacia abajo para crear elevación . Este elevador es una fuerza ascendente que contrarresta el peso del avión. Si el elevador es más que el peso del avión, el avión está en el aire. En pocas palabras, los motores mueven el avión hacia adelante y las alas mueven el avión hacia arriba .

Ahora sabemos que las alas mueven el avión hacia arriba. ¿Pero cómo lo hace?

Existe una idea errónea muy común de que el elevador se crea como resultado de diferentes velocidades del aire por encima y por debajo del ala. El aire de arriba tiene que viajar una distancia más larga en comparación con el aire de abajo, lo que hace que el aire sobre el ala sea más rápido que debajo (Ambos flujos deben llegar al final del ala al mismo tiempo). Entonces, de acuerdo con el principio de Bernoulli, el aire en movimiento rápido tiene una presión más baja que el aire en movimiento lento. Esto causa la diferencia de presión requerida para mantener el avión a flote. Pero esta explicación es completamente FALSA. Si este fuera el caso, entonces los aviones nunca podrían volar boca abajo y se estrellarían tan pronto como se invirtieran. Pero este no es el caso.

La explicación correcta es la siguiente:

Las alas proporcionan la elevación necesaria al crear una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala. La superficie superior del ala suele ser curva, y la superficie inferior es perfectamente plana. Esta forma se llama aerofoil.

Fuente de la imagen: http://explainthestuff.com

NOTA: Es muy importante entender que las alas del avión nunca están niveladas. Están angulados hacia atrás muy ligeramente para obtener el ángulo de ataque requerido. El ángulo de ataque es el ángulo que forman las alas con el aire. La imagen representada arriba captura el mismo concepto.

A medida que este perfil aerodinámico se mueve por el cielo, divide el aire en dos corrientes. Una corriente se dirige por encima del ala y la otra por debajo. A medida que el aire fluye por encima del ala, su tendencia natural es moverse en línea recta. Pero la curvatura arrastra este aire a lo largo causando que aumente el volumen ocupado por el aire sobre el ala. Esto disminuye la presión sobre el ala (las moléculas de aire ahora se extienden porque la misma cantidad de aire ahora ocupa un volumen mayor). Todo lo contrario sucede debajo del ala. El aire frente al ala golpea el aire debajo, comprimiendo efectivamente el aire y aumentando la presión.

Ahora, cuando las moléculas de aire llegan al otro extremo del ala, las corrientes superior e inferior se mueven hacia abajo. Esto crea la segunda fuente de elevación, a menudo denominada downwash. Downwash trabaja en el concepto simple de la tercera ley de movimiento de Newton. A medida que el aire detrás del ala se empuja hacia abajo, el aire proporciona una fuerza igual y opuesta hacia arriba, creando la segunda fuente de elevación.

Entonces, ambas fuentes de elevación funcionan al unísono y mantienen el avión en el cielo. Cuanto mayor es la diferencia de presión entre las superficies del ala, mayor es la velocidad de descenso en la parte trasera del ala.

TL; DR : vuelo del avión debido a la diferencia entre las presiones de aire por encima y por debajo del ala. Hay dos factores principales que contribuyen a esta elevación: la diferencia de presión causada por la forma del ala y la corriente descendente que resulta del flujo de aire sobre las alas.

Tienes respuestas maravillosas de los respondedores anteriores. Se adentran bastante en la aerodinámica, pero la aerodinámica es la razón por la que vuelan los aviones.

Un gran libro de texto para comprender todo lo que han dicho estas personas es:

Vuelo en avión: una descripción de los principios físicos del vuelo en avión (4a edición)

por DR Philpott, RH Barnard

Pasta blanda: 384 páginas

Editorial: Pearson Education Canada; 4a edición (18 de febrero de 2010)

Idioma: ingles

ISBN-10: 0273730983

ISBN-13: 978-0273730989

Este libro proporciona descripciones físicas precisas, en lugar de matemáticas, de los principios del vuelo de la aeronave. Este texto popular ofrece a los estudiantes de ingeniería mecánica e ingeniería aeronáutica una introducción útil al tema. La cuarta edición se ha actualizado para incluir desarrollos recientes importantes, tales como vehículos aéreos no tripulados y el avión espacial de órbita baja.

Aquí hay algunos extractos:

CAPÍTULO 1: Ascensor

Aviones en vuelo. Desafortunadamente, esta explicación es tan ampliamente conocida y creída, que probablemente sea cierto decir que la mayoría de los aviones del mundo están siendo llevados por personas que tienen una falsa idea sobre lo que los mantiene en el aire. Existen descripciones correctas, por supuesto, pero están contenidas principalmente en textos matemáticos desalentadores. Nuestro objetivo es dar una descripción precisa de los principios de vuelo en términos físicos simples. En el proceso de hacerlo, tendremos que demoler algunos mitos bien establecidos.

Levantar

Para mantener una aeronave en el aire en vuelo estable y nivelado, es necesario generar una fuerza de elevación hacia arriba que debe equilibrar exactamente el peso, como se ilustra en la figura 1.1. Sin embargo, las aeronaves no siempre vuelan de manera estable y nivelada, y a menudo es necesario generar una fuerza que no sea igual al peso y que no actúe verticalmente hacia arriba, como por ejemplo, al salir de una inmersión.

Fig. 1.1 Fuerzas en un avión en vuelo estable

El elevador equilibra exactamente el peso, y el empuje del motor es igual al arrastre

Por lo tanto, como se ilustra en la figura 1.2, definimos la elevación de manera más general, como una fuerza en ángulo recto con respecto a la dirección de vuelo. Solo en vuelo de nivel constante la fuerza de elevación es exactamente igual en magnitud al peso y se dirige verticalmente hacia arriba. También debe recordarse que, como se muestra en la figura 1.2, una aeronave no siempre apunta en la dirección en la que viaja.

Fig. 1.2 La dirección de las fuerzas aerodinámicas.

La fuerza de elevación está en ángulo recto con respecto a la dirección de vuelo relativa al aire y al eje del ala, y por lo tanto no siempre es verticalmente hacia arriba. Tenga en cuenta que, como en el caso ilustrado, una aeronave normalmente no apunta exactamente en la misma dirección en la que viaja

El ala convencional

Hay varios métodos para generar elevación, como describiremos, pero comenzaremos con el ala convencional.

En el avión convencional o clásico, cada componente cumple una función principal. Los nombres y propósitos de los componentes principales se muestran en la Fig. 1.3. En esta configuración clásica, casi todo el ascensor es generado por el ala. La cola, que está destinada solo a la estabilidad y el control, normalmente proporciona una ligera elevación o carga aerodinámica negativa.

Fig. 1.3 El avión clásico

Cada componente tiene un solo propósito principal

Los primeros intentos de aviación a menudo se basaban en el vuelo de las aves, donde el ala de aleteo proporciona tanto la elevación como el empuje propulsivo. La disposición clásica (a menudo atribuida al ingeniero inglés Cayley), proporcionó un enfoque más simple que se adaptaba mejor a la tecnología disponible. Sin embargo, algunos arreglos no convencionales tienen ventajas teóricas y, debido a los avances tecnológicos, se están volviendo más comunes. En algunos tipos de aviones recientes, la cola e incluso el fuselaje pueden contribuir significativamente al levantamiento, pero trataremos con tales salidas más adelante.

Aviones en movimiento y aire en movimiento

Antes de comenzar nuestra descripción de la generación del ascensor, es necesario establecer un hecho importante, es decir, que si se sopla aire a cierta velocidad más allá de un avión estacionario, como por ejemplo en un túnel de viento, las fuerzas aerodinámicas producen son idénticos a los obtenidos cuando la aeronave vuela a través del aire estacionario a la misma velocidad. En otras palabras, lo que importa es la velocidad relativa entre el aire y el avión. Esto es afortunado, porque generalmente es mucho más fácil de entender y describir lo que sucede cuando el aire pasa por un objeto fijo, que cuando un objeto en movimiento vuela a través del aire quieto.

Fig. 1.4 Superficies inclinadas

Las secciones planas o simétricas generarán elevación si están inclinadas a la dirección del flujo.

La generación de ascensor

Para cualquier ala de avión, convencional o de otro tipo, la elevación se genera al producir una mayor presión debajo del ala que por encima de ella. Para producir esta diferencia de presión, todo lo que se requiere es una superficie que esté inclinada a la dirección relativa del flujo de aire como se muestra en la Fig. 1.4, o curvada (curvada) como en la Fig. 1.5. En la práctica, es normal usar una combinación de inclinación y curvatura. Los perfiles de sección transversal que se muestran en las Figs. 1.4 y 1.5 se han utilizado en aviones exitosos. La forma utilizada para un avión en particular depende principalmente de su rango de velocidad y otros requisitos operativos.

Fig. 1.5 Perfiles aerodinámicos modificados

El perfil en (d) representa el caso de una aeronave que vuela al revés

El problema es explicar por qué tales formas producen una diferencia de presión cuando se mueven por el aire.

Los primeros experimentadores descubrieron que si usaban una superficie curva o inclinada, la velocidad promedio del flujo de aire en relación con el ala era mayor en la superficie superior que en la inferior. Como veremos más adelante, los aumentos en la velocidad del flujo de aire están asociados con una reducción en la presión, por lo que la presión más baja en la superficie superior está asociada con la velocidad relativa del aire más alta.

Una explicación popular y engañosa se refiere a un perfil típico de sección de ala curva como el que se muestra en la figura 1.5 (a). Se argumenta que el aire que toma la ruta más larga de la superficie superior tiene que viajar más rápido que el que toma la ruta más corta debajo de la superficie, para mantenerse al día.

Aparte del hecho de que no es obvio por qué los flujos sobre las superficies superior e inferior deben tener un paso, esta explicación no es satisfactoria.

Las alas inclinadas de placa plana o de sección simétrica, donde las superficies superior e inferior tienen la misma longitud, se levantan tan bien como las curvadas. Además, el perfil curvado de la Fig. 1.5 (a) todavía se elevará incluso si está invertido, como en la Fig. 1.5 (d), siempre que esté inclinado hacia la dirección del flujo. Cualquiera que haya visto una pantalla voladora sabrá que muchos aviones pueden volar boca abajo. De hecho, no existe una razón aerodinámica por la cual ningún avión pueda volar invertido. Las restricciones impuestas a este tipo de maniobras se deben principalmente a consideraciones estructurales.

Casi cualquier forma generará elevación si está curvada o inclinada hacia la dirección del flujo. Incluso se podría hacer volar un ladrillo inclinándolo y propulsándolo muy rápido. Una forma de ladrillo no es la base de un buen ala, pero esto se debe principalmente a que produciría una gran cantidad de resistencia en relación con la cantidad de elevación generada.

Si estudia el flujo alrededor de cualquiera de las secciones inclinadas o curvadas ilustradas en las figuras 1.4 y 1.5, encontrará que el aire siempre pasa más rápido sobre la superficie superior. Además, toma un camino más largo sobre la superficie superior.

La forma inesperada de lograrlo se muestra en la figura 1.6 (a). Se verá que el flujo se divide en un punto justo debajo de la nariz o en el borde de ataque, y no justo en la nariz, como cabría esperar. El aire no toma el camino más corto posible, pero prefiere tomar una ruta bastante tortuosa por la parte superior, incluso fluyendo hacia adelante contra la dirección de la corriente principal durante una corta distancia.

Fig. 1.6 (a) Patrones de flujo de flujo invisible real viscoso y teórico

En el caso teórico invisible (b), el patrón se ve igual en ambos sentidos, y hay exactamente áreas correspondientes de alta y baja presión en las superficies superior e inferior. Por lo tanto, las fuerzas de elevación y arrastre no se predicen

Está claro que la generación de elevación no requiere el uso de una sección de perfil aerodinámico convencional del tipo que se muestra en la figura 1.5 (a), y cualquier explicación basada completamente en su uso es insatisfactoria.

Encontramos que la producción de sustentación depende, de manera bastante sorprendente, de la viscosidad o adherencia del aire. Las primeras teorías que ignoraron la viscosidad, predijeron que los patrones de flujo alrededor de una superficie inclinada simple tomarían la forma ilustrada en la figura 1.6 (b). Verá que en este diagrama, hay un tipo de simetría en el patrón de líneas de corriente. Se verían exactamente iguales si voltearas la página al revés. Por lo tanto, existe una simetría similar en la distribución de la presión, de modo que debe haber exactamente áreas correspondientes de baja y alta presión en las superficies superior e inferior. En consecuencia, no se produciría elevación.

En realidad, los patrones de flujo son como los que se muestran en la figura 1.6 (a). La diferencia importante es que aquí los flujos de la superficie superior e inferior se vuelven a unir en el borde posterior, sin un cambio repentino de dirección. No hay forma de simetría en el flujo. Hay una diferencia en la presión promedio entre las superficies superior e inferior, por lo que se genera elevación.

Esta característica de los flujos que se encuentran en el borde posterior se conoce como la condición de Kutta.

La viscosidad (la pegajosidad) del aire provoca este flujo asimétrico y, por lo tanto, es responsable en última instancia de la producción de elevación.

Componentes principales de un avión comercial moderno.

Pero los primeros principios de vuelo práctico, no consideraciones teóricas, fueron descubiertos por experimento; por varios vuelos sin motor (Otto Lilienthal) y vuelos con motor (los hermanos Wright). Ninguno de estos tenía educación formal en aerodinámica.

Sin embargo, hicieron posible el vuelo comercial y de ocio de hoy.

Para una explicación más simple, construya a partir de sus propias experiencias: saque la mano de un automóvil en movimiento (¡esté seguro!) Mantenga la mano horizontal y la palma hacia abajo, y luego gire lentamente la palma para que el pulgar apunte un poco hacia arriba. Puedes sentir fácilmente el levantamiento en tu mano. También el arrastre.

De eso se trata la aerodinámica de la aeronave: cómo construir un mejor ala de elevación, para diferentes propósitos: levantar objetos pesados ​​a baja velocidad; levantamiento ligero a alta velocidad; rendimiento espectacular a baja velocidad, rendimiento asombroso a alta velocidad ……

El Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) fue una agencia federal de los Estados Unidos fundada el 3 de marzo de 1915 para emprender, promover e institucionalizar la investigación aeronáutica. El 1 de octubre de 1958, la agencia se disolvió y sus activos y personal se transfirieron a la recién creada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA).

A medida que se sentían estas diferentes necesidades, NACA diseñó varias series de perfiles NACA que todavía se utilizan en la fabricación de aviones.

Comité Consultivo Nacional de Aeronáutica

Así es como definiría el vuelo de nivel sostenido. El cuerpo debe moverse horizontalmente hacia adelante sin perder altitud o velocidad durante un período prolongado de tiempo y cualquier pasajero sentado dentro debe sentir la fuerza de gravedad normal (1 g hacia abajo). La última parte de la declaración asegura que los satélites no se consideren voladores sino simplemente caídos. Esta es también la condición que se cumplirá durante una gran parte de sus vuelos típicos.

Luego, si miramos la historia de la huida humana, las primeras personas en “responder” esta pregunta “correctamente” fueron los hermanos Wright. Hubo muchos intentos por delante y competir con ellos para lograr el primer vuelo propulsado, sin embargo, fueron los primeros en tener éxito.

La mayoría de las respuestas en este hilo discuten sobre cómo se crea la elevación, pero crear suficiente elevación es solo una pequeña parte del vuelo sostenido. La solución para mantener el vuelo radica en responder las siguientes preguntas:

1. ¿Cómo oponerse a la fuerza de la gravedad en un instante de tiempo?
2. ¿Cuál es el peso mínimo de los materiales necesarios para construir una estructura con la forma y el tamaño correctos para transportar toda la carga útil de la aeronave y el combustible para lograr el objetivo de rendimiento?
3. ¿Cómo contrarrestar la fuerza de arrastre creada por la atmósfera para mantener la velocidad requerida para volar?
4. Si las fuerzas en el vehículo dependen de su orientación, ¿cómo garantizar que se mantenga siempre la orientación correcta?
5. En vuelos más largos, ¿cómo minimizar la carga de trabajo del piloto?

P1) Las respuestas en este hilo tienen excelentes explicaciones de cómo los aviones típicos crean un ascensor. Tienen una superficie de elevación (alas) que tienen forma de superficie aerodinámica. Interactúan con el flujo de aire y dan como resultado una desviación hacia abajo del aire entrante y un campo de presión en la superficie del ala. El campo de presión así creado tiene el efecto de proporcionar una fuerza neta hacia arriba sobre el cuerpo y un efecto neto hacia abajo sobre el aire, causando la corriente descendente observada. Una cosa importante a considerar en este punto es que no todas las aeronaves tienen un ala típica ni el perfil estándar de “libro de texto”, sin embargo, la corriente descendente y la distribución de presión se ven en todas partes. Los casos en cuestión son el cuerpo de elevación Martin-Marietta X-24
[1]
No hay superficies de elevación convencionales tipo ala. No tiene forma de superficie aerodinámica típica. Otro ejemplo es el perfil supersónico utilizado en los interceptores de alta velocidad.
[2]
Nariz afilada casi simétrica. Todavía puede crear ascensor.

Ahora la fuerza de elevación viene dada por L = 0.5 * densidad (aire) * Velocidad ^ 2 * Área de referencia * CL. CL se llama coeficiente de elevación y su valor depende de la orientación de la aeronave con la velocidad del aire entrante, la velocidad y la viscosidad del fluido. El coeficiente de elevación tiene un valor máximo posible para un cuerpo dado y, por lo tanto, un cuerpo no puede mantener el vuelo por debajo de una cierta velocidad llamada velocidad de pérdida. Así que ahora tenemos que detener la velocidad para que sea razonablemente baja para aterrizar y despegar de pistas de solo un par de kilómetros de largo. Y necesitamos que el peso del avión sea lo más bajo posible. Esto nos lleva a …

P2) Los ingenieros estructurales pasan mucho tiempo estudiando y diseñando la estructura de la aeronave que puede sostener la carga útil y resistir las fuerzas ejercidas sobre ella mientras vuela, maniobra, aterriza, despega y realiza mantenimiento. Constantemente prueban nuevos materiales, reducen el peso quitando materiales de lugares donde no es necesario y desarrollando conceptos estructurales innovadores que requieren menos material manteniendo el mismo margen de seguridad. Muchas veces en la historia se han equivocado y las consecuencias han sido desastrosas. Un ejemplo muy famoso sería Hughes H-4 Hercules (Spruce Goose), que no podía volar excepto muy cerca del suelo. Por el contrario, el Boeing 737 y el Airbus A320 han pasado por muchas generaciones de rediseño con cada versión más nueva que tiene un peso estructural cada vez menor. Están tan optimizados que es casi imposible para cualquier recién llegado en su categoría entrar y derrotarlos en el mercado.
[3]
Q3) Sistemas de propulsión: las fuerzas aerodinámicas de elevación también crean las fuerzas de arrastre que tienden a ralentizar el avión por debajo de la velocidad de pérdida. Por lo tanto, necesitamos sistemas de propulsión que creen fuerzas de avance del orden del peso de la aeronave. Sin embargo, el peso sigue siendo premium y los motores no pueden pesar demasiado. De hecho, los Wright no pudieron encontrar un solo motor que pudiera crear suficiente potencia mientras fuera lo suficientemente ligero como para mantener el vuelo en uno de sus volantes, ¡y tuvo que construir su propio motor! Incluso hoy en día los motores son un factor limitante importante en los diseños con enfoque que se ha desplazado a la eficiencia de la potencia bruta. La industria aeroespacial todavía está esperando la próxima gran cosa en el frente del motor.

Q4)
En este momento, hemos discutido la mayoría de las fuerzas en el avión. Sin embargo, como dije en Q1, el coeficiente de elevación todavía depende de la orientación y lo que gobierna los movimientos angulares es Momentos (torque). Aquí es donde muchas personas fallaron antes de que los Wright tuvieran éxito. El conocimiento de la creación de ascensor era frecuente. Sin embargo, no se pensó mucho en cómo controlar el avión.

Considere una barra horizontal sobre la que actúa una fuerza F a la derecha y 2F a la izquierda. El CoG de la barra está en el centro y se acelerará en 3F / M. Sin embargo, el par en CoG no es 0 y la barra girará. En el caso de un avión, esta rotación cambiará la fuerza de elevación y estaremos en problemas. Por lo tanto, necesitamos un mecanismo para crear solo un momento sin alterar significativamente las fuerzas. En los aviones típicos, esto se logra al tener una superficie móvil en la cola del avión (elevador y timón) y en las puntas de las alas (alerones) que se ajustan constantemente en vuelo para mantener 0 momentos en el CoG del avión. En muchas explicaciones, a menudo se afirma que son solo para controlar el avión, sin embargo, su existencia y libertad de movimiento son esenciales para permitir que el avión vuele nivelado a la velocidad que elija. Congele sus posiciones y solo podrá mantener el vuelo a 1 velocidad.

Y lo último a considerar aquí es la estabilidad. Si cambio mi orientación ligeramente para que el momento no sea 0, entonces cuál es la dirección del momento resultante. ¿Intenta restaurar la orientación original o intenta alejarla más? En el primer caso, mi avión es estable y en el último caso el piloto tiene que jugar constantemente con los controles para mantener el vuelo. La inestabilidad de las aeronaves antes de los Wright también ha provocado muchos accidentes y muertes. Muchos creen que Otto Lilienthal podría haberse convertido en el primer hombre en lograr un vuelo propulsado si su planeador inestable no hubiera causado un accidente fatal. Hoy estamos retrocediendo hacia diseños inestables, pero utilizando computadoras y actuadores potentes para aumentar artificialmente la estabilidad de un vehículo, de modo que el piloto en lugar de controlar directamente un avión, ahora solo “comanda” el comportamiento mientras el sistema de control intenta rastrearlo.

P5) Ahora que hemos resuelto el problema de mantener el vuelo equilibrando las fuerzas y el momento. Hay una última pieza del rompecabezas. Para los vuelos de larga distancia, un piloto no debería tener que mantener sus manos en la palanca de control durante toda la duración. Por lo tanto, los sistemas de control que realizan diversas tareas, como nivelación de alas, mantenimiento de altitud, mantenimiento de rumbo, etc., están diseñados para permitir que el piloto tome un descanso.

Entonces en conclusión. Los aviones vuelan porque

1. Tienen una forma que puede producir el coeficiente de elevación requerido para volar de manera óptima a la altitud y velocidad a la que la aeronave está destinada a volar.
2. Tienen una estructura optimizada que les permite transportar la carga útil máxima y el combustible al tiempo que garantiza un margen de seguridad suficiente.
3. Tienen motores que producen el empuje necesario para mantener la velocidad del aire con un consumo económico de combustible. También proporcionan suficiente potencia bruta en el despegue y durante el ascenso inicial para acelerar y subir rápidamente
4. Tienen superficies generadoras de momentos y estabilidad incorporada o aumentada artificialmente para mantener el ajuste y permitir maniobras.
5. No estresan al piloto durante el vuelo al hacer que corrija constantemente los parámetros de vuelo.

Espero que la próxima vez que se siente en un avión esperando su turno para despegar al final de una pista, se dé cuenta de que está a punto de experimentar uno de los mayores triunfos del ingenio y la ingeniería humana.

Me doy cuenta de que esta es una respuesta muy larga, pero una más corta podría no haber capturado completamente la belleza del vuelo. (no dude en sugerir ediciones donde se requiera recortar)
[1] http://upload.wikimedia.org/wiki…
[2] http://www.supercoolprops.com/ar…
[3] http://upload.wikimedia.org/wiki…g

En realidad, comenzaría con algo más simple, como cohetes, primero. Eso puede sonar extraño, “los cohetes son más simples”, pero es cierto … ¡y puedes usar una ayuda visual para demostrar, un GLOBO!

Infle el globo y manténgalo cerrado. ¿Ves cómo la presión del aire en su interior está empujando en todas las direcciones por igual? Puedes SENTIR la presión del aire empujando hacia atrás, y está empujando en todas las direcciones. No va en ninguna dirección porque no importa en qué dirección se esté presionando, el lado opuesto recibe la misma presión. El término técnico es que la fuerza está en “equilibrio”.

Suelta el globo y sale volando por la habitación salvajemente. Esto se debe a que el aire dentro de él empujando todas las demás direcciones todavía empuja todas esas direcciones, pero el aire que fluye por el fondo no tiene nada contra qué empujar. Como no hay presión que empuje hacia atrás por donde sale el aire, el aire que empuja en la dirección opuesta en la parte superior del globo dentro es lo que realmente lo mueve.

Déjame repetir eso en un lenguaje tan claro como sea posible. El aire que sale del fondo NO está empujando contra una maldita cosa , POR ESO EL GLOBO VUELA. ¡Es el aire dentro del globo empujando la dirección que está yendo lo que está haciendo todo el trabajo!

Un cohete hace lo mismo, el combustible en llamas se expande rápidamente con ganas de empujar en todas las direcciones, pero como se canaliza hacia abajo (empujando contra nada), los gases que intentan subir en la dirección opuesta son lo que realmente lo empuja. Una vez más, el escape que sale del fondo no empuja contra nada (aparte de los gases que intentan expandirse en la dirección opuesta), lo que significa que el cohete sube.

Las superficies de sustentación, como las alas, funcionan según el mismo principio general de presión de aire. El truco es hacer que el aire debajo del ala tenga una presión más alta que el aire sobre el ala. En un vuelo nivelado, una superficie de sustentación NO desvía significativamente el aire debajo de ella, entonces, ¿cómo genera una mayor presión debajo del ala? ¡NO LO HACE!

En cambio, usa la desviación para crear una presión más baja SOBRE el ala, el mismo resultado, te empujan hacia arriba. Si observas una rodaja de una superficie aerodinámica, verás que la mayoría de ellas tienen forma de lágrima, pero se encuentran planas en el plano de movimiento, no apuntando “exactamente” la dirección en la que irá el avión. Esa “rampa” al comienzo del ala fuerza el aire hacia arriba, creando una “brecha” o “bolsillo” de aire en la parte trasera del ala que cae en presión a medida que el avión avanza. Este bolsillo de baja presión detrás del borde delantero del ala da como resultado una presión de aire más alta (natural) debajo del ala al empujar hacia arriba, sin crear demasiada resistencia excesiva.

Ahora, si tiene un ala (o incluso una superficie plana) en ángulo con respecto al flujo de aire, sucede lo mismo. La presión de aire delante del ala aumenta debido a la desviación hacia abajo, mientras que la presión de aire detrás del ala disminuye debido al movimiento hacia adelante: el aire detrás del ala intenta ingresar rápidamente para llenar el espacio vacío dejado por el movimiento hacia adelante. Nuevamente, la diferencia en la presión del aire proporciona elevación … la desventaja de este alto “ángulo de ataque” (la diferencia entre la dirección del ala y la dirección de desplazamiento) es que crea más resistencia, lo que significa que debe crear más empuje (quemar más combustible) para mantener la velocidad.

Eso es realmente todo lo que hay que hacer. Primero tiene que aprender sobre la presión del aire, luego puede continuar desde allí.

Los humanos experimentan el aire exactamente como los peces experimentan el agua. Cuando el aire está quieto y agitamos los brazos, no sentimos ningún arrastre, ya que interpretamos el arrastre aerodinámico como una mera falta de nuestra fuerza muscular. El aire técnicamente no tiene peso (tiene masa pero no peso, una buena razón más para convertirse al sistema métrico). La densidad del aire es de aproximadamente 1.23 kg / m3, notablemente densa cuando lo piensa:

Una nube promedio de un modesto volumen de kilómetro cúbico flotando perezosamente en el aire tiene una masa de 1,23 millones de toneladas métricas . Esto es el doble de la masa de todos los Boeing 747 jamás fabricados (1438), completamente cargados y alimentados hasta su peso máximo de despegue.

Cómo vuelan los aviones: Sorprendentemente, la mayoría de las personas que diseñan y construyen aviones no necesitan comprender cómo funcionan realmente las alas. Afortunadamente, rara vez se tiene que diseñar su propio ala. En cambio, los grandes laboratorios de investigación financiados por NACA / NASA y los gobiernos hacen el trabajo e incluso prueban los diseños de la superficie de sustentación. Hay catálogos de formas aerodinámicas y sus características. Los diseñadores simplemente los buscan y eligen uno que tenga las características deseadas, por ejemplo, “alta relación de elevación / arrastre a baja velocidad”. Incluso las desviaciones menores del diseño publicado pueden tener consecuencias inesperadas y deben probarse cuidadosamente.

Si el cordón del ala fuera una lámina de material rígido muy fuerte, hay algo de velocidad (y elevación resultante) donde la forma del ala representa nada más que una buena racionalización del acorde. Nada mas. El objetivo es hacer un ala que todavía opere a otras velocidades y ángulos de cuerda (llamado ángulo de ataque) y que todavía tenga una elevación predecible y útil.

Wolfgang Langewiesche fue uno de los expertos en aviación más citados. Su libro, Stick and Rudder (1944), todavía se considera una referencia principal en el arte de volar aviones de ala fija. En pocas palabras, dice Herr Langewiesche, a medida que avanza, el ala empuja el aire hacia abajo y el avión es empujado hacia arriba de acuerdo con la Tercera Ley de Newton: para cada acción hay una reacción igual pero opuesta .

La física del vuelo, tal como se la enseñaron a los estudiantes, generalmente ha estado muy equivocada. La noción de que el aire fluye sobre la parte superior del ala y genera succión (Principio de Bernoulli) es simplemente incorrecta. Hay cientos de diagramas de flujo de aire imaginarios (“flujo de superficie de sustentación” de Google Images ) donde aparentemente no se realiza ningún trabajo al aire. Son solo la idea de alguien feliz de la forma en que piensan que las alas deberían funcionar. Muchas de estas nociones llegan a los libros de física legítimos.

Pero incluso los diseños de alas galardonados a menudo tienen orígenes naturales y simples. Charles Hampson Grant inventó el ala “Grant T” (o X8), que en realidad era un trazado preciso de arriba hacia abajo de una trucha de arroyo recién capturada cortada y dispuesta en papel de dibujo. Uno se pregunta cuánta asimetría se le dio a la trucha. Quizás muchos diseños de alas fueron posibles con una trucha. Según los informes, el ala funcionó maravillosamente a diferentes tamaños y ganó muchos premios.

El ala principal es lo que genera el “ascensor” del avión. El ala de cola horizontal (que generalmente contiene un “elevador” de aleta de control o una configuración similar llamada “canard” en los diseños de elevador delantero) es responsable de controlar el “cabeceo”, o la nariz hacia arriba o hacia abajo del avión.

Una persona razonable pensaría que el elevador también contribuye con una pequeña cantidad de elevador, y de hecho lo hicieron una vez . Pero se descubrió que a velocidades que se acercan a un “puesto” (donde un ala o toda la aeronave deja de generar elevación y realmente se cae del cielo), si el elevador generaba elevación y luego se detenía repentinamente, el ala principal aumentaría repentinamente su altura. ángulo de ataque … y el avión se derrumbaría hacia atrás. Si el elevador fue diseñado para jalar constantemente hacia abajo, y de repente se estancó, el ala principal bajaría a un ángulo más bajo o incluso apuntaría hacia abajo, lo que aumentaría la velocidad del aire y evitaría una parada en el ala principal. Este refinamiento costó muchas vidas pero fue un desarrollo importante en la ingeniería aeronáutica. Los aviones tipo Canard funcionan de manera opuesta. Los canards proporcionan algo de elevación, junto con las alas principales, y cuando se detienen, la nariz baja y la velocidad del aire aumenta.

La cola, o estabilizador vertical, está notablemente libre de restricciones de diseño. Está simplificado, pero una revisión de las colas de los aviones muestra que pueden tener casi cualquier forma, número o ángulo … Simplemente no importa.

Una capa de hielo en cualquier superficie aerodinámica la transformará en otro tipo de superficie aerodinámica nueva y desconocida. El piloto que despega con él es el primero en probarlo … y seguramente se está quitando la vida en sus manos.

Como habrás adivinado, casi todas las formas subsónicas del perfil son de dominio público y de uso gratuito. Pero los transónicos y supersónicos … no tanto.

(La imagen es de Popular Science Magazine 1925.)

Uno puede ir a un sitio web como Florida International University
Teoría de vuelo – Nivel 3
o en la NASA (esa primera A es para Aeronáutica):
Dinámica de vuelo

Sin embargo, fundamentalmente, hay fuerzas opuestas.
Usando un sistema de coordenadas cartesianas (suponiendo una Tierra localmente plana por simplicidad), el campo gravitacional de la Tierra es perpendicular al suelo.

Por lo tanto, hay una fuerza (masa multiplicada por la aceleración de la gravedad) que “nos empuja hacia abajo”. Para volar, se necesita una “fuerza hacia arriba” que sea mayor que el peso (mg) del avión.

Esa fuerza es la fuerza de elevación. La fuerza de elevación es la fuerza que es perpendicular a la cuerda del ala.

La fuerza de elevación, por simplicidad, es proporcional a la densidad del aire local, el cuadrado de la velocidad de avance, el área de la superficie de elevación (área del ala) y el “coeficiente de elevación” en función del ángulo local. de ataque del ala (típicamente 0.8 a 1.2 para diferentes formas de ala).

La clave, ¿dónde obtenemos la velocidad de avance para generar el ascensor?

Esa es la fuerza que supera la resistencia del avión. Cualquier objeto que se mueva a través de un fluido (como el aire) tendrá una fuerza opuesta al vector de velocidad, y llamamos a eso arrastre.

Ponemos un motor en el avión acoplado a una hélice o parte de un sistema de reacción. El empuje (fuerza) de los motores mueve la aeronave hacia adelante. A medida que el avión avanza, supera el arrastre del avión y la fricción de las ruedas en la pista.

Eventualmente, la elevación generada por las alas excede el peso del avión y el avión se elevará o volará.

A medida que el avión vuela, consume combustible y se vuelve más liviano, por lo que hay menos peso que superar y el avión volará más alto para la misma velocidad de avance (a medida que la densidad del aire disminuye a medida que aumenta la altitud).

Finalmente, cuando deseamos aterrizar, dirigimos el avión hacia una pista y descendemos “lentamente” a una gran distancia. Nos alineamos en la pista y esperamos volar hacia el viento local, de modo que nuestra velocidad de avance sea relativamente lenta. Facilitamos la bajada del avión, hasta que las ruedas traseras tocan la pista, luego dejamos caer la nariz, lo que reduce el ángulo de ataque del ala, pierde la elevación y el tren delantero hará contacto con la pista.

En ese punto, podemos usar “inversores de empuje” para ayudar a reducir la velocidad de la aeronave junto con los frenos en las ruedas.

Todo se reduce a equilibrar las fuerzas en el sistema de coordenadas en el que está volando el avión.

La elevación equilibra el peso, y el empuje equilibra la resistencia para el vuelo de crucero.

Un avión comercial típico, bien diseñado, puede tener una relación de elevación a arrastre de 18 en crucero. Por lo tanto, el empuje para mantener la velocidad de avance es una décimo octava parte del peso de la aeronave. La mayoría de los aviones comerciales tienen motores que pueden proporcionar un empuje que es aproximadamente el 30 por ciento del peso de la aeronave, para despegar en una distancia relativamente corta (longitud de la pista).

La mayoría de los aeropuertos comerciales tienen pistas de 6,000 a 12,000 pies de longitud.

Espero que esto proporcione una idea general de cómo vuela un avión mientras examina detenidamente Internet para obtener explicaciones mucho más detalladas.

Vuelo seguro

Dinero, hijo … ¡dinero! ¡Sin dólares, sin Buck Rogers! Bromas aparte, estaba intrigado con los aviones como tú cuando estaba en la escuela secundaria. Esa intriga terminó con mi logro de una carrera muy gratificante como piloto. He leído muchas de las explicaciones increíblemente detalladas que se te ofrecen como respuestas, y aunque son interesantes desde el punto de vista del argumento de la física, te daré una respuesta un poco más orientada a la escuela secundaria que podría responder mejor a tu pregunta.

Un avión vuela como resultado de que sus superficies interactúan con el aire que lo rodea. Todos los aviones tienen “perfiles” que se utilizan de maneras ingeniosas para dar lugar a un vuelo. Casi todos los aviones tienen alas. Hay algunas excepciones, sin embargo, cada avión vuela debido a la interacción entre sus perfiles y el aire circundante. Período.

Existen muchos tipos de perfiles aerodinámicos, pero todos ellos producen una fuerza de elevación a medida que viajan por el aire. Ejemplos de perfiles aerodinámicos son alas, superficies de cola y hélices, por nombrar algunas. Sin embargo, una vez más, todos los perfiles producen elevación. El perfil principal en la mayoría de los aviones es el ala principal. Todas las otras superficies trabajan para acelerar y controlar el ala mientras la máquina viaja por el aire. Por ejemplo, los perfiles de las hélices producen su elevación en una dirección hacia adelante, produciendo empuje para “empujar” el avión hacia adelante. El perfil horizontal de la cola produce elevación tanto en dirección ascendente como descendente para cambiar el ángulo de ataque del ala principal y hacer que produzca más o menos elevación según sea necesario. El perfil vertical de la cola (timón) produce elevación de lado a lado para controlar la guiñada y mantener el avión alineado con la trayectoria de vuelo del ala. Cada una de estas superficies hace un trabajo diferente, pero todas son superficies de sustentación, que producen elevación en varias direcciones.

La manera más fácil para que un aspirante a piloto entienda cómo vuela un avión es al principio hacerlo lo más simple posible. Si bien es popular y lleva mucho tiempo discutir los puntos finos de las interacciones de la física y los detalles minuciosos de las cosas que preocupan a los ingenieros, como piloto profesional de 23 años con una carrera enriquecedora hasta el momento, ¡todavía amo a Bernouli! ¡Durante más de 15,000 horas de vuelo, nunca me abandonó ni una sola vez! Newton siempre ha estado allí, respaldando a Bernoulli también.

Esto es lo que necesitas saber … ¡se trata de esa ala maravillosa y hermosa! Un ala es un perfil aerodinámico que produce elevación a medida que se acelera a través del aire. Levantar es la fuerza que actúa perpendicularmente al ala, y por el bien de la discusión, supongamos un vuelo normal … ya sabes … al revés, tal como lo verías a un avión. En este caso, la elevación producida por el ala principal a medida que viaja por el aire está en una dirección ascendente (lejos del suelo). En el despegue, a medida que el avión rueda más rápido por la pista, el perfil del ala comienza a producir elevación. Cuanto más rápido va el avión, se produce más elevación. En algún momento, el ala desarrollará más elevación de la que pesa el avión, y el avión despegará y comenzará a volar. Cuanto más elevación produzca, más rápido puede subir el avión. Genial, ¿eh?

Hay muchos factores en la producción de ascensor. La forma de la superficie de sustentación, la velocidad a través del aire, el ángulo de ataque del ala (este es el ángulo entre una línea imaginaria dibujada desde el borde posterior (posterior) del ala hasta su borde delantero (delantero). Cuanto mayor sea este ángulo, cuanto más levantamiento se produzca (hasta aproximadamente 16 grados donde el ala se detendrá … más sobre eso más tarde). Las otras superficies de sustentación están allí para controlar el ala principal.

El piloto usa todos los controles juntos para lograr un vuelo controlado. Recuerde, el elevador puede actuar en cualquier dirección … arriba, abajo, adelante, de lado … etc … esto es muy importante. Las diversas superficies en el avión producen cada una su elevación en una dirección específica en relación con el ala principal para permitir que el piloto controle efectivamente el ala principal y, por lo tanto, la trayectoria de vuelo del avión. Eso es lo que te enseñan a hacer cuando aprendes a volar …

Entonces, mi amigo de la escuela secundaria, simplemente dijo, puedes decir que un avión vuela porque sus motores y hélices (o chorros) producen empuje para empujar o tirar del ala del avión por el aire, y el ala produce elevación para escalar del suelo y sostenga el avión en alto. El piloto usa los diversos controles para lograr un vuelo seguro y controlado en la dirección deseada. ¡Se trata de ese ala! ¡Discuta la física si lo desea, pero escuche a Bernoulli si quiere ser un gran piloto!

Es posible que haya notado que los aviones se inclinan (se inclinan) durante un turno. Esto se debe a que es la forma más eficiente de encender la máquina. ¿Recuerdas que dije antes que el ascensor actúa perpendicularmente (hacia arriba en nuestro ejemplo aquí)? Bueno, si inclinas el ala hacia un lado o hacia el otro, la elevación producida por el ala también se inclina y ahora parte de la elevación está tirando hacia el lado hacia el que se inclina el ala. Esto se llama el componente horizontal de elevación. Lo que hace es “tirar” del avión alrededor de la curva. El avión continuará girando mientras se mantenga el banco. El piloto inclina el ala girando el yugo (volante) o empujando la palanca (como está equipado) en la dirección deseada del banco. Cuando se alcanza el ángulo de inclinación deseado, el piloto reduce la presión del yugo para mantener un ángulo de inclinación constante. Esto es diferente de un automóvil, donde gira la rueda y la sostiene durante todo el giro. Cuando gira el yugo o el palo de un avión, mueve los alerones (superficies con bisagras en los bordes posteriores del ala cerca de las puntas de las alas). Uno se mueve hacia arriba mientras que el otro se mueve hacia abajo. Esto aumenta o disminuye la elevación producida cerca de las puntas de las alas al cambiar la forma del ala, o “curvatura”. El aumento de la elevación de un lado junto con la disminución de la elevación del otro lado hará que el ala “ruede” (se incline) hacia un banco, lo que cambia el “Componente horizontal de elevación” mencionado anteriormente para producir el giro deseado. Simple e ingenioso, ¿eh?

Ahora al timón. El timón es una parte articulada de la cola vertical y se mueve de lado a lado como la cola de un tiburón. Esto hace que el avión “guiñe” hacia la izquierda o hacia la derecha (como lo hace la cola de un tiburón). El timón puede girar el avión, ¡pero ese no es su propósito! Los giros del timón son ineficientes, incómodos y duros en el avión. Mala técnica! El propósito del timón es controlar el guiñada.

Estoy seguro de que has oído hablar del arrastre en relación con los aviones. Bueno, realmente es un “arrastre”! De hecho, la única vez que un piloto ama la resistencia (no del tipo reina), ¡es cuando desea reducir la velocidad del avión! Sin embargo, la resistencia siempre está presente en los aviones. El arrastre puede considerarse simplemente como “resistencia al viento”. Es una fuerza que actúa en una dirección hacia adelante y se opone al empuje, que actúa hacia adelante. La mayoría de los aviones están diseñados para reducir la resistencia tanto como sea posible. Hay dos tipos de arrastre. Arrastre parasitario, que proviene de cosas como el tren de aterrizaje y las antenas que sobresalen en el viento, y más preocupante, arrastre inducido. El arrastre inducido se produce cada vez que se produce la elevación y nunca se puede eliminar por completo. Si aumenta la elevación, la resistencia también aumenta … Creo que es el cuadrado del aumento en la elevación, si recuerdo correctamente desde la escuela de vuelo. Lo que necesita saber es que si aumenta la elevación, también aumenta la resistencia. Ahora, volviendo al timón … Hablamos sobre cómo colocar un ala usando los alerones. Los alerones aumentan la sustentación en uno mientras disminuyen la sustentación en el otro para hacer que el ala ruede. ¿Recuerda? Consideremos un giro a la izquierda. Para rodar en el giro, el piloto gira el yugo a la izquierda. En el ala, el alerón izquierdo se mueve hacia arriba, reduciendo la elevación (y la resistencia) en la punta del ala izquierda. Al mismo tiempo, el alerón derecho se mueve hacia abajo, cambiando la inclinación y aumentando la elevación (y el arrastre) en la punta del ala derecha, lo que hace que el ala gire hacia la izquierda. El problema aquí es que hay diferentes cantidades de arrastre en las dos puntas de las alas, más en la punta derecha y menos en la punta izquierda. Este desequilibrio hace que la nariz del avión sea empujada hacia la derecha o fuera del camino de giro. ¡Entra en el poderoso timón para salvar el día! El piloto ejerce presión sobre el pedal del timón izquierdo que desvía el timón hacia la izquierda y empuja la cola hacia la derecha, haciendo que la nariz vuelva a alinearse. Esto se llama un “giro coordinado”. Los giros coordinados son algo bueno. En un giro no coordinado, los pasajeros son arrastrados hacia el exterior del giro y es incómodo. ¡Entonces, el timón existe para permitir que el piloto mantenga un vuelo COORDINADO! ¿Todavía estás conmigo o estás vidriando?

A continuación, echemos un vistazo al elevador. El elevador es una porción articulada del estabilizador horizontal (la parte lateral de la cola). Está conectado al yugo y se mueve hacia arriba y hacia abajo cuando el piloto tira y empuja el yugo o el palo. El propósito del elevador es controlar el movimiento del avión alrededor del eje lateral (una línea trazada de punta a punta). Los pilotos usan este control para controlar el ángulo de ataque del ala, haciendo que produzca más o menos elevación en su conjunto. Tire hacia atrás y el elevador se eleva, cambiando la inclinación de la cola horizontal y aumentando la elevación HACIA ABAJO, que tira de la cola hacia abajo y levanta la nariz, aumentando el ángulo de ataque y, por lo tanto, levantando, haciendo que el avión suba. ¡No te olvides de eso de levantar / arrastrar! Si se aumenta la elevación, se aumenta la resistencia, por lo que si el piloto levanta la nariz, el avión trepará pero también perderá velocidad si no se aumenta la potencia (empuje).

Volar tiene que ver con el equilibrio. Usted, como piloto, siempre está equilibrando las cuatro fuerzas que actúan en el avión (elevación, gravedad, empuje y arrastre). Suena increíblemente difícil, pero en realidad después de que su instructor le muestra los conceptos básicos, no es mucho más difícil que andar en bicicleta.

Hay muchos, muchos tipos diferentes de aviones en la actualidad. Algunos son pequeños, otros ginourimos, algunos muy simples, algunos increíblemente complejos, pero todos vuelan básicamente de la misma manera. El perfil de un ala produce elevación. Me he certificado en varios aviones, entrenadores, gemelos, turbopropulsores y jets. He volado pasajeros, carga, misiones de defensa, piloto único y tripulación múltiple. ¡Al final, todavía se trata de esa ala! Si está realmente interesado en la aviación, le insto a que la siga. Es competitivo y exigente, desafiante y a veces frustrante, pero después de 23 años, ¡todavía me encanta la vista desde la ventana de mi oficina! ¡Incluso ahora, todavía no puedo resistir mirar por encima del hombro cuando me alejo al final del día!

¡Ahora ya sabes cómo vuelan los aviones!

Te ofrezco éxito y alegría!

El vuelo requiere dos cosas: empuje y elevación. El empuje es el movimiento hacia adelante proporcionado por una hélice o un motor a reacción. (Por cierto, una hélice usa los mismos principios que se analizan a continuación para crear la elevación, pero utiliza esa elevación para mover el avión hacia adelante en lugar de hacia arriba).

Levantar

Levantar es mucho más complicado que empujar. De hecho, es muy controvertido y, a menudo, está mal explicado y, en muchos libros de texto, es totalmente erróneo. Lo sé, porque algunos lectores me informaron que la versión original de esta historia era inexacta. He intentado corregirlo después de investigar puntos de vista “expertos” en conflicto sobre todo esto.

El ala de un avión tiene una forma especial, llamada perfil aerodinámico, que sobresale más en la parte superior que en la inferior. Esa forma ayuda en el vuelo, pero no es la clave. Si esto fuera todo, ¿cómo podrían volar algunos aviones boca abajo?

Cuando el aire se encuentra con el ala, se divide en dos corrientes, superior e inferior. A menudo escuchará que las dos corrientes se encuentran nuevamente en la parte posterior, como se muestra aquí, porque el aire que pasa por la parte superior tiene que viajar más lejos que el aire que se encuentra debajo, por lo que se ve obligado a moverse más rápido. Pero, de hecho, las parcelas de aire no se unen de manera uniforme.

El aire que se mueve más rápido tiene menos presión (esto a menudo se llama el principio de Bernoulli). Por lo tanto, a menudo se dice que el área sobre el ala tiene menos presión que el área debajo del ala, lo que crea elevación.

Una vez más, la realidad es más compleja, y las leyes de Newton generalmente se prefieren al principio de Bernoulli para explicar la elevación. La idea newtoniana es esta: el aire que fluye sobre el ala finalmente se desvía hacia abajo por el ángulo del ala, y Newton dijo que tiene que haber una reacción igual y opuesta, por lo que el ala es forzada hacia arriba.

Si está harto, tenga la seguridad de que incluso los ingenieros aún discuten sobre los detalles de cómo vuelan los aviones y qué términos usar.

Arrastrar

Dos fuerzas trabajan contra el vuelo: resistencia y gravedad.

Un ala debe estar diseñada no solo para producir elevación, sino también para minimizar la fricción con el aire que pasa, lo que causa resistencia.

Cada avión tiene una velocidad de despegue específica, donde la elevación supera la gravedad. Esa velocidad crítica cambia según el peso que pesa un vuelo en particular. La hélice de los aviones o el motor a reacción, mientras tanto, tiene que trabajar para proporcionar suficiente empuje para superar la resistencia.

¿Se pregunta por qué la superficie de sustentación se inclinó en algunos de nuestros ejemplos? Es una forma sencilla de aumentar la distancia que el aire tiene que recorrer por encima. Los pilotos pueden hacer pequeños ajustes en las aletas del ala, cambiando efectivamente el ángulo del ala hacia el viento. Un ala más inclinada permite crear más elevación a menor velocidad.

Una forma más de pensarlo: ¿Alguna vez “vuela” su mano por la ventana del automóvil? Pruébalo alguna vez. Si su mano (el perfil) está nivelada, se desliza por el aire en un plano nivelado. Incline el borde delantero de su mano hacia arriba y el viento empuja hacia arriba desde abajo y su mano se levanta.

Sin embargo, incline el ala de un avión demasiado o reduzca la velocidad demasiado, y se forman bolsas de turbulencia a lo largo de la parte superior del ala. La elevación se reduce, y el avión entra en un puesto y cae del cielo. Los pilotos entrenados pueden recuperar un avión de un puesto apuntando la nariz hacia abajo y aumentando la velocidad del avión hasta que el elevador vuelva a ganar.

Woah Todas las respuestas anteriores dadas por quorans son 100% correctas. ¡Pero las respuestas son para aquellos que ya saben lo que es un perfil aerodinámico y un poco de mecánica de fluidos! Hasta donde sé, si le explico el concepto de levantar un avión a un niño de la misma manera que le explico a un graduado, estoy bastante seguro de que el niño odiará la física y probablemente elegirá las artes. Llegando al punto, siempre me encantaría explicar los conceptos a los estudiantes de lo que ya saben. Entonces, los niños probablemente ya sabrían acerca de los trenes y suponiendo que ya hayan estado en la estación de ferrocarril; ¿Qué sucede si me paro en la plataforma y pasa un tren en movimiento rápido? Sería arrastrado hacia el tren. ¿Por qué? ¡Por la magia! Y esa magia se llama teorema de Bernoulli. No profundizar en eso. Pero lo mismo sucede con el avión. Las alas del avión están diseñadas de tal manera que el aire pasa más rápido por encima de la superficie superior, como en el caso del tren y de usted. La presión entre usted y el tren es más baja y detrás de usted es más alta. En el caso de un avión, la superficie superior del ala tiene baja presión y la superficie inferior tiene alta presión. Allí lo empujan hacia el tren, aquí el avión es empujado hacia arriba (lo que se llama elevación).

Espero que entiendan esto. De lo contrario, intentaré explicarlos tomando otro ejemplo \ U0001f609

Mira la imagen de abajo cuidadosamente: –

** la imagen de arriba está tomada de la Introducción al vuelo de John D. Anderson.

• Mire los dos tubos de corriente: uno justo sobre la superficie superior del perfil aerodinámico y otro sobre la superficie inferior. Tenga en cuenta que cuando los dos tubos de la corriente no están en contacto con las superficies de la superficie aerodinámica, el grosor de ambos tubos de la corriente es casi el mismo.
• Ahora enfóquese en el borde delantero de la sección del perfil aerodinámico aquí, el flujo selecciona su trayectoria (es decir, si debe pasar sobre la superficie superior o sobre la superficie inferior).
• La línea que divide ambos tubos de corriente se llama línea divisoria de corriente.
• Ahora concéntrese en el tubo de la corriente sobre la superficie superior, aquí la corriente se aplasta aguas abajo hasta el borde de ataque. Me refiero a solo mirar el grosor del tubo de corriente ahora se reduce considerablemente. Eso significa que el flujo que pasa a través de este tubo de corriente sobre la superficie superior tiene que pasar a través del área de estrechamiento aguas arriba hasta el borde delantero de la lámina de aire.
• Desde el principio de continuidad simple podemos entender que la velocidad del flujo debe aumentar para seguir la continuidad.
• Este aumento de velocidad sobre la superficie superior reduce la presión estática sobre la superficie superior de acuerdo con el principio de Bernoulli.
• Ahora enfóquese en el tubo de corriente sobre la superficie inferior, aquí el área del tubo de corriente ha aumentado muy ligeramente a medida que el flujo pasa a través del borde delantero de la lámina de aire, lo que resulta en una reducción de la velocidad y un aumento de la presión estática.
• Esta diferencia de presión sobre las superficies superior e inferior de la lámina de aire es la causa de la fuerza de ELEVACIÓN.
• Muchas de las otras respuestas proporcionadas aquí para esta pregunta inducen a error cuando intentan probar la tasa neta de cambio del impulso descendente que causa una acción y su reacción como elevación. En parte cierto, pero esta acción-reacción es en realidad un efecto de elevación NO UNA CAUSA. Repito que esto no es la causa del levantamiento, sino un efecto debido al levantamiento.
• Algunas respuestas intentan probar la circulación en los bordes de las superficies de sustentación como causa de elevación que tampoco es cierta. Esa circulación también es un efecto de elevación, no su causa.

Referencia: – Introducción al vuelo por John D. Anderson

EDITAR: Esta respuesta no es la explicación real de cómo los aviones obtienen su elevación. La razón real (versión sencilla de la) fue amablemente proporcionada por Glyn Williams en los comentarios. Pego el enlace aquí por conveniencia: http: //intheovershoot.blogspot.c …

Sin embargo, si usted es un novato completo en el concepto de aviones, podría ser útil seguir la explicación a continuación, lo cual no es del todo cierto, pero generalmente es lo que se enseña a los estudiantes de secundaria como la razón por la cual los aviones experimentan elevación.

Hay dos cosas que hacen volar a un avión:

1) la velocidad del avión

2) la forma de sus alas

Saltaré la parte donde el avión comienza desde el descanso y aumenta la velocidad para el despegue. Después de alcanzar una velocidad particular, el piloto levanta las aletas en la parte superior de las alas. Esto desvía el aire que se aproxima en la parte superior de las alas hacia arriba.

Observe que el aire tiene dos flujos diferentes, uno en la parte superior del ala del avión y el otro en la parte inferior.

En la parte inferior, el aire fluye principalmente horizontalmente, mientras que en la parte superior también adquiere una ligera velocidad hacia arriba debido a las aletas deflectoras en el lado superior del ala.

Esto significa que hay una diferencia en las velocidades del aire a ambos lados de las alas.

La razón por la cual el aire en el lado superior del ala tiene más velocidad es porque tiene dos componentes separados: velocidad horizontal debido al movimiento del plano y velocidad vertical debido a las aletas levantadas en la parte superior.

Debido a esta diferencia de velocidad, también existe una diferencia de presión. Esto se explica por el principio de Bernouli. Lo que básicamente establece que una diferencia en las velocidades de los fluidos también crea una diferencia de presión.

Para más información sobre el principio de Bernouli, puede consultar:

https://www.google.co.in/url?sa=…

Los aviones son en sí mismos un pequeño milagro, considere toda la tecnología que se utiliza en un avión moderno y se dará cuenta de lo que quiero decir.

Pero en general solo equilibran la fuerza de la gravedad. Para comprender lo que sucede en las diferentes fases del vuelo, obtengamos una comprensión básica de los aviones y cómo funcionan.

Estas son las cuatro fuerzas básicas que actúan en un avión mientras está en el aire. El empuje y la elevación son fuerzas que podemos variar según nuestras necesidades, la gravedad es constante, mientras que la resistencia y la elevación son directamente proporcionales al cuadrado de la velocidad.

Ahora, llegando a la cuestión más básica del ascensor.

¿Cómo se genera el ascensor?

Aquí hay una explicación simple

El flujo que se aproxima a un perfil aerodinámico se puede dividir en tubos de flujo , que se definen en función del área entre dos líneas de flujo. Ahora , dado que la masa es constante, el volumen que fluye a través de cada tubo de flujo debe ser constante, como resultado, la velocidad del flujo debe aumentar en la región más estrecha del tubo de flujo en la superficie superior Como resultado de esto, la presión disminuirá en la superficie superior (Bernoulli). Por lo tanto, resulta en una elevación igual a (diferencia de presión) * (área del ala).

Quitarse-

Bien, el despegue es la parte más intensiva de energía del vuelo. Durante el despegue necesitamos ganar altitud, por lo que necesitamos que la elevación sea mayor que la gravedad. ¿Cómo se supone que debemos hacerlo cuando no podemos alcanzar una velocidad muy alta mientras estamos en tierra?
Ahora traemos un ángulo de ataque, es el ángulo en el que el ala se encuentra con el flujo de aire, al aumentar el aoa aumentamos la elevación durante el despegue, también se utilizan dispositivos de elevación como las aletas, que funcionan al aumentar el área y también la curvatura de la ala.

Crucero-
Esta es la parte fácil que solo necesitamos para mantener el equilibrio entre las cuatro fuerzas básicas, en su mayoría atendidas por la computadora de vuelo.

Aterrizaje-

El aterrizaje es la parte más difícil del vuelo, el piloto tiene que bajar el avión al comienzo de la pista a la velocidad y ángulo correctos. Las aletas se usan una vez más a medida que se reduce la velocidad y aún necesitamos tener suficiente elevación para que la mayor parte de la fuerza gravitacional sea contrarrestada.

Dinero.

Y estoy siendo solo parcialmente sarcástico.

Sí, son las superficies aerodinámicas que desarrollan la sustentación, pero las superficies aerodinámicas producen elevación solo con viento relativo, y son las hélices o turbinas las que causan el viento relativo, pero las hélices o turbinas solo giran cuando hay un piloto en la cabina y combustible en los tanques, y el combustible toma efectivo.

El efectivo es la fuerza máxima que mantiene todos los aviones en el aire.

Es increíble contra cuántos procesos físicos y químicos prevalece el efectivo. El efectivo es la fuerza máxima que se opone a la resistencia, el peso y la fricción. Supera el óxido, la podredumbre, la corrosión, la fatiga del metal, la rigidez eléctrica del aire en el espacio de la chispa, empuja la mezcla de aire y gas más allá de su punto de inflamación. Mantiene el avión asegurado, las instalaciones de ATC tripuladas, el asfalto de la pista suave y nivelado, las bombillas VASI reemplazadas, la FAA felizmente abogando.

Intente volar un avión pequeño sin l’argent , y verá cuán rápido el avión se detendrá, generalmente cerca de la bomba de combustible operada con tarjeta de crédito.

Interrumpa el ciclo financiero en una aerolínea y verá cuán rápido prevalece la gravedad.

Sin efectivo, tanto la velocidad como la altitud convergen rápidamente a cero.

Voy a responder algunas de las preguntas relacionadas con un avión. Esta es una parte de mi publicación en 9 Absorbing Sciences Behind Airplane Flight Mechanics

Si desea obtener más información sobre el avión, puede leer esta publicación en Keyshone.com-Key To Your Shine.

1. ¿Cómo gira el avión en tierra?

La rueda de nariz juega un papel importante al encender el avión durante el rodaje. La rueda de nariz está ubicada en el lado izquierdo del piloto. La rueda de nariz controla la cola del avión que ayuda a girar el avión. El frenado diferencial también juega un papel vital en el giro. El frenado diferencial es una técnica en la que se aplica un freno para girar en la dirección del freno aplicado.

2. ¿Cómo vuela el avión?

Las alas del avión ayudan a volar. Las alas son una combinación de la superficie de sustentación. Estas superficies de sustentación generan elevación en el ala del avión. Cuando hay una diferencia de presión sobre la superficie superior e inferior de la superficie de sustentación, genera elevación en la superficie de sustentación.

3. ¿Cómo se queda el avión en el aire?

Las superficies de control primario y secundario ayudan en la estabilidad y el control del avión. El alerón, el elevador y el timón son superficies de control primarias, mientras que las aletas y lamas son superficies de control secundarias. Las aletas son un dispositivo de gran elevación que mantiene la elevación del avión en el aire.

4. ¿Cómo gira el avión en el aire?

Avión gira en el aire con la ayuda del timón. Este proceso se conoce como guiñada. Girar el avión en el aire requiere timón, que se encuentra en la cola del avión.

5. ¿Cómo vuela el avión bajo la lluvia?

La lluvia no es un problema para el vuelo en avión. Los aviones también vuelan con fuertes lluvias, pero la tormenta eléctrica, la niebla y los vientos de alta velocidad son obstáculos en el vuelo. El control del tráfico aéreo reúne la información y los datos sobre el clima de diferentes áreas. El piloto del avión obtiene los datos sobre el clima de diferentes regiones en su panel de instrumentos y mediante comunicación por radio con el ATC local.

6. ¿Cómo se frena el avión al aterrizar?

Spoiler ayuda a reducir la elevación y la velocidad del avión. La inversión de empuje también ayuda a reducir la velocidad. Los frenos de disco del tren de aterrizaje se aplicaron para detener el avión.

La inversión de empuje es un concepto de usar el empuje o escape del motor para reducir la velocidad del avión. El sistema inversor de empuje desplegado en el motor ayuda a la desaceleración del avión.

Existen diferentes teorías del ascensor.

La teoría de Newton

Siempre que haya un cambio de impulso, debe haber una fuerza que lo cause. En este caso, dado que el momento es una cantidad vectorial, el cambio en la dirección del flujo de aire alrededor del ala debe estar asociado con una fuerza en el volumen de aire involucrado.

Las terceras leyes de Newton establecen que:

• Para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Esto significa que la fuerza del perfil aerodinámico que empuja el aire hacia abajo, creando la corriente descendente, va acompañada de una fuerza igual y opuesta del aire que empuja el perfil aerodinámico hacia arriba y, por lo tanto, proporciona la elevación aerodinámica.

Por lo tanto, es el giro del flujo de aire lo que crea el ascensor.

Teoría y circulación de Bernoulli

Las alas proporcionan elevación al crear una situación en la que la presión sobre el ala es menor que la presión debajo del ala. Como la presión debajo del ala es más alta que la presión sobre el ala, hay una fuerza neta hacia arriba.

Para crear esta diferencia de presión, la superficie del ala debe satisfacer una o ambas de las siguientes condiciones. La superficie del ala debe ser:

1. Cambiado (curvado); y / o

2. Inclinado en relación con la dirección del flujo de aire.

En la Figura 3 se muestran varios perfiles aerodinámicos. Sin embargo, los perfiles aerodinámicos que se muestran en la figura siguiente son inútiles sin viscosidad.

Nota: Hay un número infinito de posibilidades; es decir, a) fondo plano; b) Parte inferior ligeramente curvada; c) simétrica

La viscosidad es esencial para generar elevación. Los efectos de la viscosidad conducen a la formación del vórtice inicial (ver Figura 4), que a su vez es responsable de producir las condiciones adecuadas para la elevación.

Iniciando la formación de vórtices

Como se muestra en la figura anterior, el vórtice inicial gira en sentido antihorario. Para satisfacer la conservación del momento angular, debe haber un movimiento equivalente para oponerse al movimiento del vórtice. Esto toma la forma de circulación alrededor del ala, como se muestra en la figura a continuación. Los vectores de velocidad de esta contracirculación se suman a los vectores de velocidad de flujo libre, lo que da como resultado una velocidad más alta por encima del ala y una velocidad más baja por debajo del ala.

Circulación de aire alrededor del ala

La suma del vector da como resultado una velocidad más baja por debajo del ala y una velocidad más alta por encima del ala

A continuación se presentan dos de varias formas de mostrar que hay una presión más baja sobre el ala que debajo.

Un método es con la ecuación de Bernoulli , que muestra que debido a que la velocidad del fluido debajo del ala es menor que la velocidad del fluido por encima del ala, la presión debajo del ala es mayor que la presión sobre el ala.

Un segundo enfoque utiliza las Ecuaciones de Euler (de las cuales se deriva la ecuación de Bernoulli) a través de las líneas de corriente. Debido a la curvatura del ala, las velocidades más altas y la aceleración sobre la parte superior del ala requieren una presión por encima del ala más baja que la presión ambiental.

Por lo tanto, usando cualquiera de los dos métodos, se muestra que la presión debajo del ala es más alta que la presión sobre el ala. Esta diferencia de presión da como resultado una fuerza de elevación hacia arriba en el ala, lo que permite que el avión vuele en el aire o, en el caso de un WTG, da como resultado un par de torsión alrededor del cubo, que gira el cubo.

Teoría de la fuerza centrífuga

En el caso que se muestra aquí, la presión debe aumentar a medida que nos alejamos de la superficie. Esto significa que la presión superficial es menor que las presiones más alejadas. Es por esto que el Cp es más negativo en regiones con curvatura en esta dirección. La curvatura de las líneas de corriente determina las presiones y, por lo tanto, la elevación neta. La figura a continuación muestra cómo las presiones de la superficie aerodinámica varían con el ángulo de ataque.

Las cuatro fuerzas fundamentales de un avión son empujar, arrastrar, levantar y pesar. Para que un avión vuele nivelado, simplemente necesita una elevación igual al peso.

Para aviones más pesados ​​que los aéreos, hay dos formas de pensar en el ascensor.

Una forma de describir la elevación es que la elevación es siempre el resultado de la diferencia de presión en la parte superior e inferior del avión (principalmente el ala).

Fuerza = Presión * Área

Si el aire empuja más hacia arriba desde la parte inferior del ala que hacia abajo en la parte superior del ala, tienes una fuerza neta hacia arriba. Eso sería levantar.

Otra forma de describir la elevación es que la elevación es siempre el resultado de la desviación del flujo de aire. La tercera ley de Newton nos dice que para cada acción hay una reacción opuesta e igual.

Entonces, si se empuja una cantidad neta de aire hacia abajo, hay un empuje neto hacia arriba en el avión.

Es importante tener en cuenta que a pesar de los argumentos que lees en los comentarios de respuesta, AMBAS descripciones son correctas. Cuando tiene múltiples formas correctas de describir un fenómeno, desea elegir el método que sea más fácil de entender y que conduzca a la menor cantidad de falsas expectativas. Por esta razón, tendemos a hablar sobre diferentes tipos de ascensores.

El primer tipo de elevador que debo mencionar es el empuje simple. Aquí hay un ejemplo de un avión a reacción volando hacia arriba:

El elevador proviene del motor a reacción. Está empujando el aire hacia abajo, lo que resulta en un movimiento hacia arriba del avión como una reacción igual y opuesta.

Observe que no me seco y describo esto como resultado de una diferencia de presión. Podría describirlo de esa manera, ya que hay aire de baja presión entrando en la parte delantera del motor y aire de alta presión saliendo por la parte posterior.

Para la mayoría de las aeronaves, el empuje solo puede levantar una pequeña porción del peso. Claramente, si desea que su CESNA vuele solo por empuje, necesitará mejoras serias en el motor y la capacidad de combustible. Sin embargo, al despegar está volando con su avión apuntando hacia arriba, y esto se agregará directamente a su elevador.

La siguiente forma de elevación de la que deberíamos hablar es la elevación dinámica. La elevación dinámica solo requiere un ala plana. Las aeronaves supersónicas tienen alas planas, por lo que, como puede imaginar en un vuelo nivelado donde el empuje se usa para compensar la resistencia, la elevación dinámica es la única forma de evitar que el avión supersónico caiga del cielo. Incluso una aeronave Cesna en vuelo nivelado recibirá aproximadamente el 75% de su elevación de elevación dinámica.

El efecto es simplemente que el aire se refleja desde el ala en ángulo descendente. La reacción igual y opuesta significa que el avión se empuja hacia arriba. Puede describir esto ya sea como la diferencia de presión de dirigirse hacia el viento o como reflejo real del flujo de aire. Ambas descripciones funcionan y son correctas. La parte engañosa de hablar sobre el flujo de aire es que un estudiante puede esperar que el viento salga del fondo de un túnel de viento, no de la parte posterior. Una vez que el aire pasa por el ala, vuelve rápidamente a su dirección original, como verías en los senderos de humo. Por otro lado, a muchos estudiantes les resulta más confuso hablar sobre este efecto en términos de diferencias de presión, y no sabrían cómo calcular qué diferencia de presión se basa en la velocidad del viento y el ángulo de ataque.

Como puede ver un ángulo de ataque 0, significa que no hay elevación. Eso significa que si desea que un avión supersónico pueda despegar del suelo, el ala deberá montarse en el avión en un ángulo con respecto al fuselaje.

La continuación del levantamiento es, lamentablemente, lo que muchos estudiantes deben creer que es la única forma de levantamiento … Esas son diferencias de presión con respecto al principio de Bernoulli. En un CESNA esto representa aproximadamente el 25% de su elevación, y en un avión supersónico 0%. En pocas palabras, el principio de Bernoulli en este contexto es que el aire se mueve más rápido sobre una superficie, menos presión ejerce sobre esa superficie. Entonces, si puedes encontrar una forma de dar forma a tu ala para que el aire viaje más rápido por la parte superior que por la inferior, habrá una fuerza neta hacia arriba …

Ahora, una idea errónea común es que el aire tiene que encontrarse de alguna manera cuando pasa de un extremo del ala al otro. Pero esto simplemente no es verdad. Solo si tomas el largo camino alrededor de una montaña y yo tomo el túnel a través de la montaña, no nos encontraremos al otro lado. Tampoco un anillo de humo que viajaba por encima del ala necesita encontrarse con un anillo de humo que viaja por debajo del ala. Sabemos en este diagrama que el aire sobre el ala viaja más rápido, pero no tenemos una buena manera de calcular cuánto más rápido sin mediciones cuidadosas o modelado.

En un ángulo de ataque 0 no tienes elevación dinámica. Esa es la mejor manera de describir este levantamiento por separado del levantamiento dinámico. Si inclina el ala, obtendrá una elevación dinámica, pero también cambiará la velocidad del flujo del viento sobre el ala, lo que afectará la cantidad de elevación que resulta de la forma del ala también.

Algunas personas intentan intentar describir este tipo de elevación como un flujo descendente. El argumento es que el aire se mueve a lo largo de la superficie del ala, por lo que al final del ala tienes ese viento que baja y empuja el avión hacia arriba. Pero si miras un túnel de viento, las estelas de humo entran directamente en el ala y salen directamente de la parte posterior. Si bien no diré que la descripción del flujo descendente es incorrecta, es engañosa. El otro problema con la descripción del flujo descendente es que esencialmente tiene flujo ascendente en la parte delantera del ala. Para un estudiante, suena como levantar una piedra a mi lado por encima de mi cabeza y volver a bajar a mi lado de nuevo y de alguna manera ganar elevación. Es confuso. La descripción es casi correcta. Si desea describir este ascensor como una corriente descendente, utilice una analogía de piscina. Imagina que recoges algo que flota en la superficie de una piscina sobre tu cabeza y luego lo arrojas con fuerza contra el agua. Todavía terminará flotando en la piscina en el mismo nivel cuando haya terminado. Pero ese acto de lanzarlo con fuerza contra el agua te daría un empujón hacia arriba.

Al final, no me gusta la descripción completa de este tipo de elevación como flujo descendente, porque el aire no es un líquido. Describir un gas ideal como el agua en una piscina es extremadamente engañoso y dará lugar a otras falsas expectativas, a pesar de que ambos son fluidos y esencialmente se comportarán igual con respecto al efecto Bernoulli.

Una de las razones más importantes para comprender el efecto Bernoulli es no comprender qué mantiene su avión en el aire, sino comprender qué sucede cuando un ala se detiene.

En pocas palabras, para que el efecto Bernoulli funcione, el flujo de aire debe seguir a lo largo de la superficie del ala. Pero teniendo en cuenta el siguiente diagrama:

Esto es lo que sucede a la velocidad de pérdida. De repente, el aire ya no viaja a lo largo de la superficie del ala. Eso significa que su CESNA pierde instantáneamente el 25% de su elevación. Sientes la caída repentina. Lo que es más, si el piloto no actúa rápidamente, esto dará como resultado que el avión gire y pierda la elevación dinámica también …

Hay formas adicionales de elevación que afectan a un avión. Pero estos son los principales que mantienen el avión volando. Una de las formas más interesantes y útiles de ascensores es Ground Effect. Puede describir un efecto de suelo como una combinación de otros tipos de elevación, pero las características únicas hacen que sea mejor cubrirlo por separado. Sin embargo, no entraré en efecto aquí, ya que está más allá del alcance de la pregunta.

La respuesta de Saran Udayakumar a ¿Cómo explicas cómo vuelan los aviones a un estudiante de secundaria?

Los aviones permanecen en el aire porque no hay fuerza neta sobre ellos. Y sin fuerza neta, un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece de esa manera.

No es que no haya fuerza actuando en el avión; la gravedad tira hacia abajo del avión en sí, más todas las personas y el equipaje dentro, y cada molécula de aire que atraviesa el motor o choca con el fuselaje o las alas empuja el avión. Pero si todas estas fuerzas están equilibradas, en particular, si las moléculas de aire empujan el avión hacia arriba lo suficiente como para contrarrestar la gravedad, entonces el avión se mantiene hacia arriba.

Lograr que las moléculas de aire empujen el avión hacia arriba es la parte crucial del vuelo, y los aviones lo hacen asegurándose de que la parte inferior de las alas choque contra más moléculas de aire de forma más violenta que los lados superiores de las alas.

Cuando un avión está estacionado en el suelo, las moléculas de aire rebotan en la parte superior e inferior de las alas en cantidades aproximadamente iguales, o con “igual presión”. Sin ascensor.

Pero en movimiento, la forma curva de las alas y su ángulo ligeramente inclinado significa que los fondos chocan contra más moléculas de aire que antes (y chocan más fuerte contra esas moléculas), por lo que la presión sobre el fondo del ala aumenta.

Además, ahora hay menos moléculas de aire que golpean la parte superior del ala y las que sí lo hacen con menos fuerza, en parte porque está “protegida” por su propio movimiento hacia adelante (como la forma en que la lluvia te mantiene seco) y en parte porque Una corriente de aire en curva tiene una presión más baja en el interior de la curva ya que las moléculas son arrojadas centrípetamente hacia el exterior. Pero cualesquiera que sean las razones, la presión en la parte superior del ala disminuye. Entonces, baja presión en la parte superior más alta presión en la parte inferior, y el avión tiene elevación. Y si el desequilibrio de presión / fuerza es lo suficientemente grande, puede elevar el avión en el aire contra la gravedad.

Ahora, todo esto chocando con las moléculas de aire para levantar el avión también empuja a desacelerar el avión, lo que sería, de no ser por los motores. Los motores también empujan el aire (en este caso, hacia atrás), ya sea a través de una hélice o un jet, o un jet que impulsa una hélice. Por varias razones, resulta que desea tener una hélice realmente grande impulsada por un jet realmente pequeño para el motor más eficiente. Pero incluso en motores ineficientes, las aspas del ventilador giratorio obtienen su elevación horizontal, lo que llamamos “empuje”, al moverse rápidamente a través del aire con una forma curva y un ángulo ligeramente inclinado, son esencialmente mini alas.

Entonces, un avión es esencialmente un meta-ala: vuela moviendo mini alas lo suficientemente rápido como para empujar las moléculas de aire hacia atrás, lo que mueve el avión hacia adelante lo suficientemente rápido como para que sus grandes alas empujen las moléculas de aire hacia abajo.

Cortesía – MinutePhysics