Clase 1 de Aerodinamica para TDC

1. CAP. ALLEM CASAS BRACHO

2. INTRODUCCIÓN
La Aerodinámica: Es una rama especial de la física que
estudia los fenómenos originados por el
desplazamiento de un cuerpo a través del aire y
viceversa.
Tiene que ver además con la mecánica de fluidos que
estudia los gases en movimiento y las fuerzas o
reacciones a las que están sometidos los cuerpos que
se hallan en su seno.
IMPORTANCIA DEL CONOCIMIENTO DE LA
AERODINÁMICA
ENTENDER, ANALIZAR Y PREDECIR

3. COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA
% (en vol)
Nitrógeno 78.084
Oxígeno 20.946
Argón 0.934
CO2 0.033
Los gases fundamentales que forman
la atmósfera son:
LA ATMÓSFERA
LA DIFERENCIA DE DENSIDAD DE LOS GASES HACE QUE EL
OXÍGENO SE DECANTE POR DEBAJO DE LOS 35000 PIES EN
PROMEDIO.

4. LA ATMÓSFERA
AIRE
MASA
PESO
FORMA
INDETERMINADA
CARENCIA DE
UNA FUERTE
COHESIÓN
MOLECULAR
PRESIÓN
TEMPERATURA
DENSIDAD
PROPIEDADES
LAS PROPIEDADES DEL AIRE ESTAN INTIMAMENTE LIGADAS Y NOS
SIRVEN PARA PODER EXPLICAR COMO VUELA UNA AERONAVE.

5. LA ATMÓSFERA
Las leyes físicas de los
gases
• Ley de BOYLE: Dice que a temperatura
constante el volumen de un gas es
inversamente proporcional a su presión. Esto
quiere decir que cuando la presión aumenta el
volumen disminuye y cuando la presión
disminuye el volumen aumenta.
 Ley de CHARLES: dice que el volumen
de una masa a presión constante varía
con la temperatura.

6. LA ATMÓSFERA
PRESIÓN ATMOSFERICA
PRESIÓN ATMOSFERICA ES LA FUERZA EJERCIDA POR LA
ATMÓSFERA POR UNIDAD DE SUPERFICIE.
SE DEFINE COMO PRESIÓN A LA CANTIDAD DE FUERZA
APLICADA POR UNIDAD DE SUPERFICIE.
LA PRESIÓN ATMOSFERICA VARIA INVERSAMENTE
PROPORCIONAL CON LA ALTURA A RAZÓN DE UNA PULGADA
POR CADA 1000 PIES.
PRECISAMENTE POR LO ANTERIOR, A MAYOR ALTURA LA
DENSIDAD DEL AIRE DISMINUYE Y POR LO TANTO LA
RESISTENCIA AL AVANCE TAMBIEN.

7. LA TEMPERATURA DEPENDERÁ DE VARIOS FACTORES COMO LA
CERCANÍA AL ECUADOR O A LOS CUERPOS DE AGUA DE LA
TIERRA Y POR SUPUESTO LA ALTURA.
LA TEMPERATURA VARÍA CON RELACIÓN A LA ALTURA EN 1,98
GRADOS CENT. POR CADA 1.000 PIES HASTA ALCANZAR
APROXIMADAMENTE LOS 36.000 PIES.
LA ATMÓSFERA

8. LA ATMÓSFERA
La atmósfera tipo o atmósfera estándar, conocidas como
atmósfera ISA (International Standard Atmosphere), es una
atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias,
cuyas constantes más importantes son:
Unos valores en superficie al nivel del mar de:
- Temperatura: 15ºC (59ºF).
- Presión: 760 mm o 29,92" de columna de mercurio, equivalentes a
1013,25 mb por cm².
- Densidad: 1,325 kg. por m³.
- Aceleración debido a la gravedad: 9,8 ms/segundo².
- Velocidad del sonido: 340,29 ms/segundo.
- Un gradiente térmico de 1,98ºC por cada 1000 pies o 6,5ºC por cada
1000 mts.
- Un descenso de presión de 1" por cada 1000 pies, o 1 mb por cada 9
metros, o 110 mb por cada 1000 mts.

9. LA ATMÓSFERA
De todos los valores anteriores, los más
familiares son: a nivel del mar una
temperatura de 15ºC y una presión de 1013
mb. o 29.92", y una disminución de 2ºC de
temperatura y 1" de presión por cada 1000
pies de altura.

10. En aeronáutica se denomina perfil alar, perfil
aerodinámico o simplemente perfil, a la forma plana
que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a
su alrededor una distribución de presiones que genere
sustentación.
FUERZAS AERODINÁMICAS

11. Borde de ataque: parte delantera del perfil en donde incide
la corriente.
Borde de salida: parte posterior del perfil por donde sale la
corriente.
FUERZAS AERODINÁMICAS

12. Extradós: zona superior del perfil entre el borde de ataque
y el de salida.
Intradós: zona inferior del perfil entre el borde de ataque y
el de salida.
FUERZAS AERODINÁMICAS

13. Cuerda: segmento imaginario que une el borde de ataque
con el borde de fuga. El ángulo que formará la recta que
contiene a la cuerda con la dirección de la corriente fluida,
definen convencionalmente el ángulo de ataque.
FUERZAS AERODINÁMICAS

14. Extradós: parte del contorno del perfil sobre la cuerda.
Intradós: parte del contorno del perfil bajo la cuerda.
Espesor: distancia entre el intradós y el extradós, medida sobre la
perpendicular a la cuerda en cada punto de ésta.
Espesor relativo: relación entre el espesor y la cuerda del perfil.
FUERZAS AERODINÁMICAS

15. Según la forma:
Asimétricos (con curvatura)
Simétricos
FUERZAS AERODINÁMICAS

16. Según la orientación del diseño hacia un
rango de velocidades de operación:
Subsónicos
Transónicos
Supersónicos
FUERZAS AERODINÁMICAS

17. La sustentación es la fuerza generada
sobre un cuerpo que se desplaza a través
un fluido, de dirección perpendicular a la de
la velocidad de la corriente incidente.
Como con otras fuerzas aerodinámicas, en
la práctica se utilizan coeficientes
adimensionales que representan la
efectividad de la forma de un cuerpo para
producir sustentación y se usan para facilitar
los cálculos y los diseños.
FUERZAS AERODINÁMICAS

18. El modelo matemático de la fuerza de sustentación es:
donde:
•L es la fuerza de sustentación en N.
•ρ es la densidad del fluido, en kg/m3.
•V es la velocidad, en m/s.
•A es el área de referencia del cuerpo, en m2.
•CL es el coeficiente de sustentación. Como el resto de coeficientes aerodinámicos,
es adimensional. Este coeficiente se halla experimentalmente de acuerdo a:

19. Relación de cómo aumenta el índice de
sustentación con relación al ángulo de ataque.
La Sustentación creada por el ala esta en función:
1) El coeficiente aerodinámico (forma del perfil)
2) La superficie alar.
3) La densidad del aire.
4) Velocidad del viento relativo.
5) El Angulo de Ataque.

20. Teorema de Bernoulli
En 1738 El físico suizo Daniel Bernoulli, descubrió que en un fluido
ideal se podía establecer una relación muy simple entre la energía
potencial y la energía cinética. La energía potencial esta representada
por la presión, y la energía cinética por el producto de la densidad del
fluido por el cuadrado de la velocidad. Bernoilli descubrió que en
una línea de corriente, la suma de estas dos energías es una cantidad
constante.

21. La compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual se
debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a
una presión o compresión determinada manteniendo constantes
otros parámetros.
COMPRESIBILIDAD

22. En mecánica de fluidos se considera típicamente que los fluidos
encajan dentro de dos categorías que en general requieren un
tratamiento diferente: los fluidos compresibles y los fluidos
incompresibles. Que un tipo de fluido pueda ser considerado
compresible o incompresible no depende sólo de su naturaleza o
estructura interna sino también de las condiciones mecánicas sobre el
mismo. Así, a temperaturas y presiones ordinarias, los líquidos pueden
ser considerados sin problemas como fluidos incompresibles, aunque
bajo condiciones extremas de presión muestran una compresibilidad
estrictamente diferente de cero.
En cambio los gases debido a su baja densidad aún a presiones
moderadas pueden comportarse como fluidos compresibles, aunque en
ciertas aplicaciones pueden ser tratados con suficientes aproximación
como fluidos incompresibles. Por estas razones, técnicamente más que
hablar de fluidos compresibles e incompresibles se prefiere hablar de
los modelos de flujo adecuados para describir un fluido en unas
determinadas condiciones de trabajo y por eso más propiamente se
habla de flujo compresible y flujo incompresible
Los sólidos a nivel molecular son muy difíciles de comprimir, ya
que las moléculas que tienen los sólidos son muy pegadas y existe
poco espacio libre entre ellas como para acercarlas sin que
aparezcan fuerzas de repulsión fuertes. Esta situación contrasta
con la de los gases los cuales tienen sus moléculas separadas y
que en general son altamente compresibles bajo condiciones de
presión y temperatura normales. Los líquidos bajo condiciones de
temperatura y presión normales son también bastante difíciles de
comprimir aunque presenta una pequeña compresibilidad mayor
que la de los sólidos.
COMPRESIBILIDAD

23. En termodinámica se define la compresibilidad de un sistema
hidrostático como el cambio relativo de volumen frente a una
variación de la presión. En principio la magnitud de la
compresibilidad depende de las condiciones bajo las cuales se lleva
a cabo la compresión o descompresión del sistema, por lo que a
menos que se especifique el modo en que se lleva a cabo esa
operación la compresibilidad de un valor u otro según las cantidades
de calor intercambiandas con el exterior. Debido a esa dependencia
de la compresibilidad de las condiciones se distingue entre la
compresibilidad isoterma y la compresibilidad adiabática.
COMPRESIBILIDAD TERMODINAMICA
COMPRESIBILIDAD

24. Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema
termodinámico cuando se somete a una transforamción
cuasiestática de presión mientras su temperatura se
mantiene constante y uniforme, viene dada por:
En un proceso de variación de presión a temperatura
constante, el cuerpo habrá intercambiado una cierta cantidad
de calor con el exterior por lo que su energía total, que
puede obtenerse como suma del trabajo realizado sobre el
cuerpo y del calor intercambiado por el mismo no
permanecerá constante.
COMPRESIBILIDAD ISOTERMA
COMPRESIBILIDAD

25. COMPRESIBILIDAD ADIABATICA
Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema
termodinámico cuando se somete a una transformación cuasiestática
de presión en condiciones de aislamiento término perfecto, viene dada
por:
En un proceso adiabático de variación de presión, el cuerpo
experimentará algún cambio de temperatura.
COMPRESIBILIDAD

26. La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios
continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el
movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas
que los provocan. La característica fundamental que define a los
fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que
provoca que carezcan de forma definida). También estudia las
interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis
fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la
hipótesis del medio continuo
MECANICA DE LOS FLUIDOS
La hipótesis del medio continuo es la hipótesis
fundamental de la mecánica de fluidos y en general de
toda la mecánica de medios continuos. En esta hipótesis
se considera que el fluido es continuo a lo largo del
espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura
molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con
esta hipótesis se puede considerar que las propiedades
del fluido (densidad, temperatura, etc.) son funciones
continuas.
HIPOTESIS DEL MEDIO CONTINUO
La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en
comparar el camino libre medio de las moléculas con la
longitud característica del sistema físico. Al cociente entre
estas longitudes se le denomina número de Knudsen. Cuando
este número adimensional es mucho menor a la unidad, el
material en cuestión puede considerarse un fluido (medio
continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la
naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados
y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el
comportamiento de la materia. Ejemplos de situaciones donde
la hipótesis del medio continuo no es válida pueden
encontrarse en el estudio de los plasmas.
COMPRESIBILIDAD

27. PARTICULA FLUIDA
Este concepto esta muy ligado al del medio continuo y es
sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se llama
partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante
determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa
elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener
un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña como
para poder considerar que en su interior no hay variaciones de las
propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada
partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades. Es
importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la
velocidad macroscópica del fluido, de modo que está siempre
formada por las mismas moléculas. Así pues un determinado punto
del espacio en distintos instantes de tiempo estará ocupado por
distintas partículas fluidas.
COMPRESIBILIDAD

28. Los fenómenos de compresibilidad sólo se presentan a altas
velocidades (del orden de 0,85 mach). A estas velocidades, y
dado que el perfil está diseñado para acelerar las partículas de
aire sobre el extradós, en algunos puntos del mismo estas
partículas alcanzarán la velocidad de Mach 1 sin que el avión
la haya alcanzado. A esta velocidad supersónica se producen
fenómenos de compresibilidad que pueden provocar el
desprendimiento de la capa límite, con la consiguiente pérdida
de sustentación.
COMPRESIBILIDAD

29. http://kimerius-wing.blogspot.com/2009/06/compresibilidad.html
COMPRESIBILIDAD

30. Fuerzas que actúan en vuelo
Sustentación: Es la fuerza generada por un perfil aerodinámico
moviéndose en el aire, ejercida de abajo arriba, y cuya
dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura
del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Se
suele representar con la letra:
L del inglés Lift = Sustentación.
De todas las fuerzas que actúan sobre un aeroplano en vuelo,
las básicas y principales porque afectan a todas las maniobras
son cuatro: sustentación, peso, empuje y resistencia. Estas
cuatro fuerzas actúan en pares; la sustentación es opuesta al
peso, y el empuje o tracción a la resistencia.

31. Resistencia
La resistencia es la fuerza que impide o retarda el movimiento de un
aeroplano. La resistencia actúa de forma paralela y en la misma dirección
que el viento relativo, aunque también podríamos afirmar que la resistencia
es paralela y de dirección opuesta a la trayectoria.
Desde un punto de vista aerodinámico, cuando un ala se desplaza a través
del aire hay dos tipos de resistencia: (a) resistencia debida a la fricción del
aire sobre la superficie del ala, y (b) resistencia por la presión del propio aire
oponiéndose al movimiento de un objeto en su seno.La resistencia por
fricción es proporcional a la viscosidad, que en el aire es muy baja, de
manera que la mayoría de las veces esta resistencia es pequeña comparada
con la producida por la presión, mientras que la resistencia debida a la
presión depende de la densidad de la masa de aire.
Ambas resistencias crean una fuerza proporcional al área sobre la que actúan
y al cuadrado de la velocidad. Una parte de la resistencia por presión que
produce un ala depende de la cantidad de sustentación producida; a esta parte
se le denomina resistencia inducida, denominándose resistencia parásita a la
suma del resto de resistencias.
La fórmula de la resistencia (en ingles "drag") tiene la misma forma que
la de la sustentación: D=CD*q*S donde CD es el coeficiente de
resistencia, dependiente del tipo de perfil y del ángulo de ataque; q la
presión aerodinámica (1/2dv² siendo d la densidad y v la velocidad del
viento relativo) y S la superficie alar.

32. Resistencia Inducida
Este efecto es más acusado en el extremo del ala, pues el aire que fluye por
debajo encuentra una vía de escape hacia arriba donde hay menor presión, pero la
mayor velocidad del aire fluyendo por arriba deflecta esa corriente hacia abajo
produciéndose resistencia adicional. Este movimiento de remolino crea vórtices
que absorben energía del avión.
Resistencia inducida. La resistencia inducida,
indeseada pero inevitable, es un producto de la
sustentación, y se incrementa en proporción
directa al incremento del ángulo de ataque. Al
encontrarse en la parte posterior del ala la
corriente de aire que fluye por arriba con la que
fluye por debajo, la mayor velocidad de la
primera deflecta hacia abajo a la segunda
haciendo variar ligeramente el viento relativo, y
este efecto crea una resistencia.
se deduce claramente que la resistencia inducida aumenta a
medida que aumenta el ángulo de ataque. Pero si para
mantener la misma sustentación ponemos más velocidad y
menos ángulo de ataque, la resistencia inducida será menor, de
lo cual deducimos que la resistencia inducida disminuye con el
aumento de velocidad.

33. Efecto de Vortice de Ala
De la explicación dada se deduce claramente que la resistencia
inducida aumenta a medida que aumenta el ángulo de ataque.
Pero si para mantener la misma sustentación ponemos más
velocidad y menos ángulo de ataque, la resistencia inducida será
menor, de lo cual deducimos que la resistencia inducida
disminuye con el aumento de velocidad.

34. Resistencia
En la resistencia inducida también tiene influencia la
forma de las alas; un ala alargada y estrecha tiene
menos resistencia inducida que un ala corta y ancha.
Resistencia parásita. Es la producida por las demás resistencias no relacionadas
con la sustentación, como son: resistencia al avance de las partes del avión que
sobresalen (fuselaje, tren de aterrizaje no retráctil, antenas de radio, etc.);
entorpecimiento del flujo del aire en alas sucias por impacto de insectos o con
formación de hielo; rozamiento o fricción superficial con el aire; interferencia del
flujo de aire a lo largo del fuselaje con el flujo de las alas; el flujo de aire
canalizado al compartimiento del motor para refrigerarlo (que puede suponer en
algunos aeroplanos cerca del 30% de la resistencia total); etc... También, la
superficie total del ala y la forma de esta afecta a la resistencia parásita; un ala más
alargada presenta mayor superficie al viento, y por ello mayor resistencia parásita,
que un ala más corta. Lógicamente, cuanto mayor sea la velocidad mayor será el
efecto de la resistencia parásita: la resistencia parásita aumenta con la velocidad.

35. Empuje o Tracción
Empuje es la fuerza actuando hacia
delante la cual se opone a la
resistencia y empuja el avión. En
la mayoría de los aviones de la
aviación general esta fuerza se
obtiene cuando el motor hace girar
la propela. El mismo principio
físico envuelto en la generación
de sustentación también se aplica
cuando describimos la fuerza de
empuje..Como se ha explicado La
segunda ley de Newton establece
que una fuerza (F) actuando
sobre una masa (m) Acelerará
(a) la masa en la dirección de la
fuerza (F = ma.)
En el caso del empuje del avión,
la fuerza es proporcionada por la
expansión de los gases
quemándose en el motor que hace
girar la propela. Una masa de aire
moviéndose a través de la
propela, un perfil en rotación, y
su aceleración en dirección
opuesta al patrón de vuelo. La
reacción igual y opuesta de
acuerdo con la 3ª ley de Newton
es el empuje. Que es una fuerza
en la dirección del vuelo..

36. Para vencer la inercia del avión parado, acelerarlo en la carrera de despegue o en
vuelo, mantener una tasa de ascenso adecuada, vencer la resistencia al avance,
etc... Se necesita una fuerza: el empuje o tracción. Esta fuerza se obtiene
acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la del aeroplano. La
reacción, de igual intensidad pero de sentido opuesto (3ª ley del movimiento de
Newton), mueve el avión hacia adelante. En aviones de hélice, la fuerza de
propulsión la genera la rotación de la hélice, movida por el motor (convencional
o turbina); en reactores, la propulsión se logra por la expulsión violenta de los
gases quemados por la turbina.
Empuje o Tracción
Esta fuerza se ejerce en la misma dirección a la que apunta el eje del sistema
propulsor, que suele ser más o menos paralela al eje longitudinal del avión.

37. FUERZAS QUE ACTUAN EN VUELO
FACTORES QUE AFECTAN LA SUSTENTACIÓN
Actitud del avión. Este término se refiere a la orientación o referencia
angular de los ejes longitudinal y transversal del avión con respecto al
horizonte, y se especifica en términos de: posición de morro (pitch) y
posición de las alas (bank); ejemplo: el avión esta volando con 5º de morro
arriba y 15º de alabeo a la izquierda.

39. Trayectoria de vuelo y Viento Relativo
Trayectoria de vuelo. Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico
durante su desplazamiento en el aire; es decir es la trayectoria que siguen las
alas y por tanto el avión.
Viento relativo. Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El
viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta.
Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa
de aire en que este se mueve.

40. Angulo de Incidencia
Ángulo de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo agudo
formado por la cuerda del ala con respecto al eje longitudinal del
avión. Este ángulo es fijo, pues responde a consideraciones de
diseño y no es modificable por el piloto.

41. Trayectoria de vuelo
Es importante destacar que no debe asociarse la trayectoria de vuelo, ni por
tanto el viento relativo, con la actitud de morro del avión; por ejemplo, una
trayectoria de vuelo recto y nivelado puede llevar aparejada una actitud de
morro ligeramente elevada.

42. En la fig.1.3.6 se muestran distintas fases de un avión en vuelo, en cada una de
las cuales podemos apreciar de una manera gráfica los conceptos definidos: la
trayectoria; el viento relativo, paralelo y de dirección opuesta a la trayectoria, y
la sustentación, perpendicular al viento relativo.
Trayectoria de vuelo

43. Ángulo de ataque. El ángulo de ataque es el ángulo agudo formado por
la cuerda del ala y la dirección del viento relativo. Este ángulo es
variable, pues depende de la dirección del viento relativo y de la posición
de las alas con respecto a este, ambos extremos controlados por el piloto.
Es conveniente tener muy claro el concepto de ángulo de ataque pues el
vuelo está directa y estrechamente relacionado con el mismo.
Es importante notar que, tal como muestra la fig.1.3.5, el ángulo de
ataque se mide respecto al viento relativo y no respecto de la línea
del horizonte. Dada la importancia de este concepto, se profundiza
en el mismo.
Angulo de Ataque

44. FIN DE LA PRIMERA PARTE
MUCHAS GRACIAS