¿Cómo explicas cómo vuelan los aviones a un estudiante de secundaria?

NO ES LA FORMA QUE UNO PIENSA QUE HACE.
Este es uno de los conceptos erróneos más populares entre los estudiantes de física de secundaria y de pregrado con respecto al elevador de aviones. La razón por la que tanta gente se equivoca es porque

(i) encuentran una explicación basada en el principio de Bernoulli en los libros de texto de la universidad y

(ii) El principio de Bernoulli es fácil de entender.

En realidad, no hay nada de malo en la afirmación de que el aire pasa más rápido por la parte superior del ala, pero el hecho de que se basa en el “principio de tiempos de tránsito iguales” está mal. En otras palabras, se supone que el aire separado (en el borde delantero del ala) debe encontrarse en el borde trasero al mismo tiempo . ¿Pero por qué deberían hacerlo? De hecho, el aire que pasa por la parte superior del ala llega al borde posterior considerablemente antes del aire que pasa por debajo del ala como se muestra en la figura a continuación:

Fuente de la imagen: Cómo vuelan los aviones

El aire que pasa por debajo del ala en realidad se ralentiza desde la velocidad de “flujo libre” del aire. Además, esta explicación basada en el principio de Bernoulli implicaría que el vuelo invertido es imposible . Tampoco se dirige a los aviones acrobáticos con alas simétricas.

La explicación correcta del elevador se basa en la tercera ley de movimiento de Newton. La tercera ley de Newton, tan conocida incluso por los estudiantes de física de primaria, establece que para cada acción, debe haber una reacción igual y opuesta. Cuando las corrientes de aire (líneas de corriente) se doblan alrededor de las alas de un avión, el aire que pasa sobre el ala se dobla hacia abajo. Esta curvatura del aire es la acción. La reacción proporciona la elevación en el ala. Es el cambio en el impulso del aire lo que resulta en fuerzas en el ala. Por lo tanto, para generar elevación, un ala debe desviar el aire hacia abajo. La elevación del ala es igual a la tasa de cambio de impulso del aire que se desvía hacia abajo.

Para una mayor elevación, el ala debe desviar más aire (masa) o aumentar su velocidad hacia abajo. Esta velocidad descendente detrás del ala se llama ” downwash “. Un observador en el suelo vería el aire casi directamente detrás del avión como se muestra a continuación:

Fuente de la imagen: Cómo vuelan los aviones

Esto puede parecer confuso para un ingenuo estudiante de secundaria o de pregrado que ha visto algo como esto

Fuente de la imagen: Cómo vuelan los aviones

como una representación del flujo aerodinámico alrededor de un ala. En esta imagen (incorrecta), el aire abandona el borde posterior en la misma dirección que apareció en el borde delantero. Por lo tanto, no hay acción neta en el aire en este caso y, por lo tanto, ¡no hay elevación en el ala! La siguiente figura muestra la dirección correcta de las líneas de corriente a medida que fluyen sobre el ala

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Como se puede ver en la imagen de arriba, se produce una complicación debido al efecto de ” flujo ascendente ” en el borde de ataque del ala. El flujo ascendente tiende a crear una elevación negativa y, por lo tanto, debe compensarse empujando más aire hacia abajo. También es evidente en la imagen el hecho de que la superficie superior del ala hace mucho más para mover el aire que la parte inferior. Por lo tanto, la superficie superior es la superficie crítica.

Pero, ¿cómo un ala delgada desvía tanto aire y cómo desvía el aire hacia abajo?

La respuesta a la primera pregunta es que a medida que el aire se dobla alrededor de la superficie superior, tira del aire por encima de él acelerando ese aire hacia abajo para evitar que se produzcan vacíos. Este tirón hace que la presión disminuya por encima del ala. Entonces, es esta aceleración del aire en la dirección hacia abajo lo que da la elevación deseada.

Ahora la respuesta a la pregunta de cómo se desvía hacia abajo. Se debe al llamado efecto Coanda, que describe la tendencia de los fluidos a seguir una superficie curva. Esto es fácilmente observable, ya que puede comprobarlo fácilmente sosteniendo una tubería horizontalmente debajo de un grifo, de modo que el agua que sale del grifo solo toque el lado de la tubería. Se vería que la tubería hace que el agua se enrolle alrededor de la superficie de la tubería. La razón por la que esto sucede se debe a la viscosidad . En el caso del aire, la viscosidad es muy pequeña pero lo suficientemente grande como para que las moléculas de aire se adhieran a la superficie. En la superficie, la velocidad relativa entre la superficie y las moléculas de aire es exactamente cero. Justo encima de la superficie, el fluido tiene una velocidad pequeña. Cuanto más se aleja de la superficie del ala, mayor es la velocidad hasta que se alcanza la velocidad externa. Debido a este gradiente de velocidad, el fluido se dobla hacia la superficie. A menos que este doblez sea demasiado apretado, el fluido sigue la superficie y el pequeño volumen de aire pegado al ala se llama ” capa límite “.

Sin embargo, la dirección real del flujo de aire alrededor del ala es más complicada que la que se muestra en las imágenes anteriores y se parece a esto

Fuente de la imagen: Cómo vuelan los aviones

Se necesita una descripción matemática aerodinámica de la elevación para una comprensión precisa de las fuerzas en un ala, lo que está fuera de mi alcance. Sin embargo, como estudiante de física, es suficiente entender que la tercera ley de Newton puede explicar correctamente el levantamiento de un avión.

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 del avión que puede sostener la carga útil y resistir las fuerzas que se ejercen sobre ella mientras vuela, maniobra, aterriza, despega y mantiene. 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 nos estamos moviendo hacia diseños inestables, pero usando 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

Desde una perspectiva macro, la imagen de R. Carlyle del ala que desvía el aire hacia abajo es correcta; no se puede obtener algo por nada, y es por eso que los aviones producen algo llamado downwash. Sin embargo, esta explicación hace que el levantamiento subsónico parezca mucho menos interesante y demasiado simplista para aquellos que pueden no apreciar algunos de los fundamentos de los fluidos.

Por un lado, la manera en que un ala vuela a través de un fluido, como el aire, no es absolutamente análoga a la imagen de las balas que rebotan en un ala. Sé que esto ciertamente no es lo que se quiso decir, pero esta es la cantidad de personas que lo imaginarán. Sin embargo, esto no podría explicar, por ejemplo, cómo las alas de ciertos perfiles producen una elevación significativa en ángulos negativos . Tampoco explica cómo poner un efecto de retroceso en una pelota de tenis hace que la pelota genere elevación.

Si ya ha escuchado la explicación de que “la superficie superior del ala está curvada y, por lo tanto, el aire que pasa por la parte superior del ala debe viajar más rápido que el aire que se encuentra debajo del ala para encontrarse en el otro lado” . He escuchado un montón de tonterías. El hecho interesante y a menudo ignorado es que el aire que fluye sobre la superficie superior de una superficie de sustentación puede moverse varias veces más rápido en algunas áreas que el aire que fluye por debajo del ala, y sale muy por delante del aire que fluye por debajo del ala. En pocas palabras, las dos parcelas de aire no se encuentran, no existe tal ley física. ¿Qué está impulsando esto?

La clave para entender el levantamiento es que los fluidos, en cierto modo, se comunican entre sí. Se podría decir que el modo de comunicación es la presión; lo que le sucede a las partículas en un lado afecta a las partículas en el otro, incluso con distancias aparentemente grandes entre ellas. El aire que fluye inicialmente alrededor de un plano angulado delgado crearía un vacío detrás de él que requeriría aceleraciones extremadamente altas para llenar ese vacío en el borde posterior, haciendo que el flujo de aire local se reoriente de tal manera que se elimine este vacío. Esencialmente, en lugar de luchar contra el obstáculo, el aire intenta naturalmente fluir alrededor de sus contornos, lo que efectivamente resulta en un flujo acelerado sobre la parte superior. Esto se llama circulación.

La diferencia de presión entre las superficies superior e inferior de un ala es real y puede integrarse sobre el área del ala para calcular la elevación total que se produce. Entonces, si bien es cierto que los diferenciales de presión hacen que el aire se acelere y, al hacerlo, cumpla con las leyes de Newton, este hecho no explica por qué el diferencial surge en primer lugar.

Ciertamente, hay mucho más rigor detrás del modelado de los flujos de fluidos, pero podría estar aquí durante horas si tuviera que soportarlo (sin mencionar que sería tan entretenido como un libro de texto). Si está intrigado pero no piensa en los libros de texto como una lectura ligera, le recomendaría visitar el sitio web / libro escrito por John Denker, Vea cómo vuela . Es uno de los recursos más fáciles de entender para los laicos que he encontrado para cualquier persona interesada en tales cosas.