¿Por qué se redondean las ventanas de los aviones?

Hubo una vez un avión que tenía ventanas cuadradas, el De Havilland Comet. Después de algunos accidentes fatales resultantes de rupturas en el aire, el avión tuvo su certificado de aeronavegabilidad eliminado. Una investigación exhaustiva reveló que los choques fueron causados ​​por un mayor estrés, especialmente en las esquinas de las ventanas, donde se encontró el 70% del estrés final durante las pruebas. Como resultado, la fatiga en el avión durante muchos vuelos resultó en puntos de tensión en las esquinas de las ventanas para ceder. Debido a los incidentes, el avión ya no está en uso y no se construyen más aviones con ventanas cuadradas.

Todas las ventanas de los aviones son puntos débiles de la estructura, incluso los redondos. Cada ventana adicional está disminuyendo la integridad estructural del cuerpo de la aeronave.

Con los años, la ingeniería aeroespacial ha dado grandes pasos en la tecnología de los aviones, lo que significa que los aviones pueden transportar más pasajeros e ir más rápido. Los aviones también han cambiado de forma para aumentar la seguridad, incluidas las ventanas.

En la década de 1950, cuando los aviones estaban comenzando a convertirse en la corriente principal, el De Havilland Comet se puso de moda. Con una cabina presurizada, podía ir más alto y más rápido que otros aviones.

Sin embargo, el avión tenía ventanas cuadradas y en 1953 dos aviones se derrumbaron en el aire, matando a 56 personas en total.

¿La razón de los accidentes? Las ventanas.

Donde hay una esquina, hay un punto débil. Las ventanas, que tienen cuatro esquinas, tienen cuatro puntos débiles potenciales, por lo que es probable que se bloqueen bajo estrés, como la presión del aire.

Simulación de elementos finitos de tensiones de esquina en una piel de fuselaje Comet. El rojo denota las tensiones más altas. Fuente de la imagen> Análisis de elementos finitos

Distribución de estrés / concentración de estrés

Cuanto más afilada sea una esquina, mayor será el estrés. Esto no es deseable ya que aumentará la tensión en el material y puede promover la fatiga que puede conducir a fallas estructurales en el camino.

Puede evitar este problema teniendo un mayor radio de curva. Esto no solo se aplica a las ventanas, sino también a las puertas de cabina / carga en un avión.

Fuente> Análisis de tolerancia de daños – Doblador de parabrisas

Cuando las aeronaves se convierten en cargueros y agregan puertas de carga, notará que deben hacer que el metal sea más grueso alrededor de la puerta para ayudar a distribuir el estrés, de ahí el área de metal sin pintar:

Fuente – ¿Por qué los aviones tienen ventanas curvas?

Es por eso que las ventanas de los aviones son redondeadas

Hace casi medio siglo, los aviones tenían ventanas cuadradas y esto es lo que sucedió.
En 1949, se lanzó el primer avión comercial del mundo ‘De Havilland Comet’ en medio de un gran aplomo. Pero dentro de un año, 2 de sus aviones se estrellaron en el aire. Las investigaciones revelaron que las ventanas eran las culpables. Eran de forma cuadrada.

Ahora, lo que sucede es que los aviones comerciales vuelan a una altura de más de 30,000 pies porque la densidad del aire es bastante baja a esta altitud y minimiza la resistencia del aire en el avión. Y así, la presión dentro de la cabina se mantiene a un nivel más alto para que los pasajeros puedan respirar. Pero esto crea una gran diferencia en las presiones fuera y dentro del avión.
Las ventanas cuadradas tienen puntos débiles en las cuatro esquinas, y bajo una tensión extrema debido a la diferencia de presión, existe la posibilidad de que se quiebren en los puntos débiles. Esto es lo que sucedió en los choques del cometa.

Desde entonces, la forma de las ventanas planas cambió de cuadrada a redonda u ovalada. Una ventana redonda no tiene un punto débil o de estrés y puede soportar la inmensa diferencia de presión dentro y fuera del avión. Las ventanas redondas realmente aseguran que tengamos un vuelo seguro.
Eche un vistazo a este video de Real Engineering que explica la ciencia detrás de las ventanas circulares.

Esto nos lleva a preguntarnos, ¿por qué tener ventanas? ¿Por qué el esfuerzo de crear ventanas redondas cuando puede eliminar el riesgo por completo al no tener ventanas? ¿Es solo para el placer de los pasajeros?

La respuesta es que las ventanas son necesarias en todos los vehículos de pasajeros. Imagínese sentado en un tubo de metal a 30,000 pies sobre el nivel del mar, sin ventanas. Los pasajeros pueden sentirse claustrofóbicos, los niños pequeños pueden desarrollar problemas graves.

Las grietas a menudo se desarrollan en las esquinas de un miembro estructural debido al alto factor de concentración de tensiones en esas áreas, especialmente debido al cambio rápido en la geometría. Una célula está sometida a una tensión cíclica durante cada operación de presurización y despresurización. Por lo tanto, las aberturas de ventanas rectangulares terminarían desarrollando grietas en las esquinas. Una abertura circular u ovalada no desarrollaría ninguna grieta ya que no hay concentración de tensión. El mismo principio se usa para detener una grieta perforando un AGUJERO DE PARADA. Verifique la figura a continuación:
Sin embargo, las ventanas de la cabina de un avión no siempre son circulares. En ese caso, las esquinas son redondeadas.

Las ventanas rectangulares provocaron grietas en el fuselaje, debido a la tensión en las esquinas.

El fuselaje de un avión sufre mucho estrés cuando se eleva desde el nivel del mar hasta la altitud de crucero. Tiene que retener mucha presión, lo que hace que se flexione ligeramente.

La flexión repetida conduce a la fatiga del metal, que eventualmente puede terminar con la ruptura drástica del fuselaje algún día. Esto sucedió con el primer avión de reacción, el De Havilland Comet, y provocó dos accidentes fatales.
Un cometa 1- nota ventanas cuadradas

El uso de ventanas circulares u ovaladas evita el problema al no permitir que el estrés se concentre en las esquinas.

Un cometa 2, con ventanas ovales para evitar el agrietamiento por tensión.

El ciclo de construcción y liberación de presión a medida que el avión se eleva a la altura y desciende al nivel del mar es una Unidad fundamental de Control de Vida. La vida de una aeronave presurizada se controla en ciclos, y la vida restante puede verse influenciada por el número de ciclos logrados. Los ciclos también conducen el cronograma de inspección y mantenimiento.

Si mira oblicuamente la piel de un avión viejo, a veces puede ver un patrón donde la piel se ha inmovilizado donde está remachada al marco estructural subyacente, pero se ha flexionado en los espacios intermedios. Las aeronaves son rigurosamente inspeccionadas y mantenidas para asegurar que este proceso de envejecimiento no afecte la seguridad.

Ya tiene muchas respuestas que explican la concentración de tensión en las esquinas de las estructuras, y el Cometa. Intentaré no repetirlas demasiado. En primer lugar, era bien sabido que una forma cuadrada conduce a una concentración de estrés cuando de Havilland diseñó el cometa. El avión fue diseñado y probado para resistir las tensiones alrededor de las ventanas. Lo que no se tuvo en cuenta adecuadamente fue la fatiga del metal, o la falla debido a la carga cíclica.

Antes del cometa, la fatiga no se entendía realmente. Las fallas del cometa fueron un misterio que solo se resolvió mediante un experimento masivo con piezas de la estructura del cometa en un tanque de presión. Parte del problema era que las pruebas estructurales del día enmascararon el problema de la fatiga. Como se entendió la fatiga, los requisitos de pruebas estructurales se cambiaron para ser más representativos de las condiciones del mundo real y los modos de falla.

La fatiga no había sido un gran problema hasta el Cometa porque los aviones estaban en gran parte sin presión porque volaban a menor altitud, no estaban sujetos a la carga cíclica que estaba el Cometa, por lo que no se observó fatiga: si se mira al civil aviones de los años 30 y 40, se pueden ver muchas ventanas cuadradas. Del mismo modo, los barcos tenían muchas ventanas cuadradas con esquinas redondeadas, muy parecidas al cometa.

Antes de la industria aeronáutica realmente, ejem, despegando, el aluminio no se usaba tanto. La mayoría de la ingeniería estructural usaba mucho acero, que era más barato y más denso, lo que permitía estructuras y máquinas más compactas. Las aeronaves utilizaron aluminio ampliamente en la necesidad de mantener el peso estructural de la aeronave lo más bajo posible. La fatiga del metal en el acero tiene algunas características muy diferentes al aluminio, que es otra razón para la sorpresa cuando las estructuras Comet comenzaron a fallar, ya que esto no se había visto antes en recipientes a presión o estructuras de acero.

Si tuviera ventanas más cuadradas en un avión, necesitaría una piel más gruesa y una estructura de soporte para soportar el estrés y la fatiga posterior. El exceso de peso es un problema en los aviones, por lo que es una solución mucho mejor para reducir el estrés haciendo ventanas redondeadas.

¡Hola!

Esta es una pregunta muy interesante. Afortunadamente, puedo responderlo, porque me topé con un artículo sobre el mismo, hace solo 3 días.

Las ventanas cuadradas tienen bordes, y cuando se vuela a altas velocidades, la tensión (Fuerza por unidad de área de un objeto) es muy alta para los bordes.

Originalmente, los aviones tenían ventanas cuadradas, pero con dos accidentes desafortunados en 1953, donde los aviones se derrumbaron en el aire, se debió a las ventanas cuadradas. Esto condujo a una revisión profunda del diseño de las ventanas de los aviones, y ahora vivimos en la era de las ventanas redondas.

Fuente:

Es por eso que las ventanas de los aviones son redondeadas

La extraña razón por la cual las ventanas de los aviones son redondas

Si bien no todos habrán reflexionado sobre el tema mientras miraban por la ventana durante un vuelo, la pregunta de por qué los aviones tienen ventanas circulares en lugar de cuadradas es interesante.

Con los años, la ingeniería aeroespacial ha dado grandes pasos en la tecnología de los aviones, lo que significa que los aviones pueden transportar más pasajeros e ir más rápido. Los aviones también han cambiado de forma para aumentar la seguridad, incluidas las ventanas.

En la década de 1950, cuando los aviones estaban comenzando a convertirse en la corriente principal, el De Havilland Comet se puso de moda. Con una cabina presurizada, podía ir más alto y más rápido que otros aviones.

Sin embargo, el avión tenía ventanas cuadradas y en 1953 dos aviones se derrumbaron en el aire, matando a 56 personas en total.

¿La razón de los accidentes? Las ventanas

Donde hay una esquina, hay un punto débil. Las ventanas, que tienen cuatro esquinas, tienen cuatro puntos débiles potenciales, por lo que es probable que se bloqueen bajo estrés, como la presión del aire.

Al curvar la ventana, se distribuye la tensión que eventualmente rompería la esquina de la ventana y se reduce la probabilidad de que se rompa.

Para tener ventanas, debe realizar cortes en la piel del fuselaje para hacer agujeros. En aviones presurizados, el fuselaje es como una caldera, pasando por una presión positiva en el interior (diferencial de presión de hasta 8.5 psi desde el exterior) hasta un diferencial de presión cero desde el exterior. Este ciclo continuo de presión da lugar a un fenómeno en el metal llamado fatiga, y eventualmente se desarrollan grietas en el metal. La fatiga es inevitable y sus efectos se pueden controlar, pero empeora mucho cuando se hacen cortes en el fuselaje que tienen esquinas afiladas. Por lo tanto, cualquier abertura que se haga en el fuselaje presurizado se hace sin esquinas afiladas.

La mayoría de los aviones están presurizados.

Todos los aviones experimentan una inmensa cantidad de flexión y vibración.

Las grietas comenzarán en las esquinas afiladas, donde hay una mayor concentración de estrés.

Los orificios redondos tienden a no tener esquinas afiladas y, por lo tanto, menos tensión.

Fácil.

No solo las ventanas. Incluso si miras el cuerpo del avión en su interior, es curvo y redondeado y no cuadrado como el de un autobús o un tren. A grandes altitudes, el interior de un avión tiene alta presión. A esa altura y velocidad, los bordes o esquinas soportan el peso de la presión y ahí es donde generalmente comienzan las grietas. Si las ventanas y el plano en sí son redondeados, se eliminan los bordes o las esquinas, lo que reduce las posibilidades de que la alta presión afecte la estructura.

Las esquinas afiladas causan concentraciones de estrés, lo que genera fatiga. Y eso crea grietas. Esto se remonta también al hecho de que los aviones están hechos principalmente de aluminio, que no tiene límite de fatiga. Entonces, cada vez que el avión se flexiona, no solo haces daño, sino que también haces un gran daño con ventanas cuadradas.

Otros han comentado sobre el famoso cometa DeHavilland. Siempre interesante!

La forma de las ventanas era previamente cuadrada. Más tarde se descubrió que había fallas en las ventanas cuadradas debido a la concentración de estrés.

Para reducir la concentración de tensión, se aplicaron varios métodos y uno de ellos fue curvar los bordes. Ahora, con el uso de materiales más nuevos, las ventanas pueden hacerse más grandes y tener una forma algo ovalada.

Premsai Reddy, al comentar la respuesta de Tom Stagliano, señaló el siguiente video de YouTube que creo que merece atención como respuesta de nivel superior: ¿Por qué las ventanas de los planos son redondas?

http://www.sciencealert.com/watc …

¡Esto da una explicación clara!

En los aviones, NO son redondos. Son elípticas.

Para aliviar el estrés del fuselaje a diferencia de una ventana de terremoto, y una ventana ovalada o elíptica, es probable que se convierta en un POF o Punto de falla