CLASES DE AERODINÁMICA EN VIDEO

Estoy de vuelta en el blog, con una serie de videos donde explico y amplío los conceptos ya  expuestos con diapositivas y escritos.

Me movió a realizarlos, ver la gran cantidad de visitas al blog. También el interés de facilitar la comprensión de esos conceptos básicos de esta materia tan interesante. Recordando que somos los pilotos los que, actuando sobre los mandos de una aeronave en vuelo, generamos los cambios en las fuerzas que actúan en ella. De esta manera ser conscientes de lo que está sucediendo, y así disfrutar aun más de ese extraordinario placer que genera el vuelo.  

Las dudas o inquietudes pueden postearlas en el blog o en la página de Youtube, iré respondiendo en la manera de lo posible. 

Aquí la primera clase. Espero vuestros comentarios

Aproximación y aterrizaje en pista vieja, USHUAIA, con B 732 de AR

 

Comparto una de las aproximaciones que realicé en pista vieja de Ushuaia. La operación era muy particular, normalmente combinaba entrada VOR/ DME, y visual con circuito que pueden ver en el video. La Met muchas veces se presentaba adversa, por formación de hielo y vientos fuertes, con  pista corta. Sumado el paisaje cautivador, la hacían única y fascinante. 

Tuve el honor de ser el último Comandante en operar en la pista vieja de Ushuaia, con un Boeing 737 de Aerolíneas Argentinas. En una ceremonia que siempre recordaré, el Gobernador de la provincia de Tierra del Fuego, Antártida e Islas del Atlántico Sur, me entregó este certificado en el aeropuerto.

Vuelo Jumbo B747-400 Aerolíneas Argentinas EZE MAD - Año 2010

Dedicado a todos los colegas de AR con los que he compartido el cockpit. El B744, el avión más espectacular que volé en mi vida.

Planeo Final y Aterrizaje

Planeo final y aterrizaje en Club de Planeadores Zárate.

Última parte de una prueba deportiva.

Autonomía - Alcance

Clase Senior - Vuelo a Vela - Argentina

En la actuación en vuelo recto de una aeronave, hay un par de velocidades directamente relacionadas con la administración de la energía disponible, que es necesario conocerlas. Con una logramos el mayor ¨tiempo¨ en el aire, y la otra  nos permite recorrer la mayor ¨distancia¨. Comenzando en ambos casos con la misma cantidad de energía disponible.

La performance en vuelo recto de un planeador, es normalmente en descenso. En ese caso también se aplican estos valores.

La velocidad que nos da el mayor ¨tiempo¨ en el aire, es la de máxima ¨autonomía¨. Para el caso de un planeador corresponde a la de menor descenso en relación al ¨tiempo¨, ó menor razón de descenso (min. sink rate). El dato lo obtenemos de la polar del planeador, expresado en velocidad vertical de descenso,  en m/s, f/m, nudos.

La velocidad que nos permite volar la mayor ¨distancia¨ o máximo ¨alcance¨ es la de L/D máxima (D Total, diapositiva # 13), con la que obtenemos el menor descenso en relación a la distancia. También llamada de mínimo ángulo de descenso  (diapositiva # 16). En la polar, coincide con la velocidad  donde la tangente desde el origen toca esa curva. En ese punto se logra la mejor relación velocidad/razón de descenso. Significa que al multiplicarla  por el tiempo que demora en descender una altura, obtenemos la mayor distancia, (Distancia= velocidad x tiempo) comparada con otras velocidades y sus descensos correspondientes, de la polar.

Normalmente la velocidad de máxima autonomía, es inferior a la de máximo alcance. Para una aeronave de alargamiento normal habría una diferencia mayor al 20% entre ambas.

Los aviones usan la velocidad de máxima autonomía en las esperas y la de máximo alcance aplicada al vuelo en crucero. Depende del tipo de planta de poder y propulsión, son estudiadas en relación a las curvas de potencia ó empuje requerido .

Efecto Suelo

Cuando una aeronave se acerca al suelo, le suceden algunos cambios aerodinámicos simultáneos, especialmente en el ala.

Se  modifica la trayectoria del aire que pasa a través del ala que sustenta. En este caso, la cercanía del piso, disminuye los desplazamientos verticales del aire, hacia arriba, delante del ala y hacia abajo, detrás del borde de fuga. Esto, por falta de espacio para hacerlo, y  reduce los vórtices de punta de ala, como si aumentara su envergadura.

Con eso :  1) se reduce el ángulo de ataque inducido (diapositivas # 10 y 11 ) y así disminuye la resistencia inducida Di.

                  2)  con lo anterior, se reduce  la resistencia total D ( diapositiva # 13)

                  3) al disminuir la D total, la relación L/D máxima es mayor y con ello aumenta el     alcance.                

                  4) al reducirse el ángulo de ataque inducido, el mismo ángulo de ataque del ala produce  mayor CL.  Por lo que, si mantenemos la velocidad, la sustentación L será mayor al peso W. Para no ascender tendremos que bajar la nariz, y con eso se acelera el planeador.

                 Disminuye la resistencia inducida y no la resistencia parásita. Quiere decir que tendrá mayor efecto a velocidades del segundo régimen, debajo a la correspondiente a L/D máxima.

Al disminuir la D total necesitaremos menor empuje (menos energía) para equipararla y mantener el vuelo equilibrado (diapositiva # 5 ).

La reducción de resistencia inducida es proporcional al acercamiento al piso, y los porcentajes son medidos respecto a la envergadura. Como dato ilustrativo, para un ala ( en planta) recta: con altura igual a un cuarto de la envergadura, el porcentaje de reducción de Di es de un 24%, cuando la altura es igual a un décimo de la envergadura (para un 15 metros = 1,5 metros),  un  48 %. 

Efecto del Flap

El flap es un dispositivo móvil hipersustentador, ubicado en un sector del borde de fuga del ala, que puede modificar la forma del perfil de esta. Con ello, otorga una versatilidad considerable, en su posibilidad de producir coeficientes de sustentación.  Al variar la velocidad,  tiene que hacerlo también el CL, para que la sustentación L mantenga su valor.

Cualquier  aeronave equipada con flap, tiene posiciones  con valores positivos, que aumentan la curvatura del perfil del ala, y así su coeficiente de sustentación CL, respecto a mismos valores de ángulos de ataques con flap en posición cero (diapositivas # 7 y 8 ).

Simplificando podríamos decir que, al aumentar la curvatura del perfil, el ala acelera más el aire que pasa por el extradós.

Es apropiado usarlo para volar a velocidades  del 2° régimen, debajo de la correspondiente a la mínima resistencia total D, ó de L/D máxima. Permite  reducir la velocidad, disminuyendo a su vez el valor correspondiente a la de pérdida (diapositiva #  14).

Pero al aumentar  su ¨capacidad sustentadora ¨, modificando su curvatura, el perfil se hace más resistente. Con el aumento del coeficiente de sustentación, crece la resistencia inducida, y al modificar su forma el perfil, también lo hace la resistencia parásita.
En el primer punto, generalmente, el flap es más sustentador que resistente. Pero en la posición de ¨landing¨, cuando está más extendido, es muy resistente. Cosa que nos conviene, porque mejora la pendiente de aproximación, con una actitud adecuada para el caso.

Algunos planeadores  disponen de posiciones de flap con valores negativos.  Efectivo en performances  de velocidades superiores al L/D máxima, correspondientes al 1er régimen. La velocidad es el factor que más injerencia tiene en la sustentación , en esta zona  de actuación.

Al selectar flap  en negativo, además de disminuir su CL, disminuimos la curvatura del ala modificando su forma, y de esa manera la resistencia parásita (de forma o de presión, diapositiva # 12).

El flap es de gran utilidad, pero debe ser operado a las velocidades adecuadas, de lo contrario puede aumentar indebidamente la resistencia.

El manual de cada planeador, instruye sobre que velocidad usar para cada posición de flap.

Mi amigo SIR Martín Hidalgo, en su Pik 20, flapeado

Sustentación- Leyes de Newton

                                                                                                         Foto tomada el 14-7-2012 del LL (Lito Fentanes)

      

Hay otro enfoque (físico) que explica cómo el ala genera sustentación, que intentaré 
resumirlo para que lo conozcan y analicen.

Si uno ve una deformación en la masa de aire, significa que hay una fuerza actuando sobre ella.

A toda acción existe una reacción igual y opuesta. El ala mueve la masa 
de aire, generando una fuerza, que es la acción, y la reacción a esa fuerza es la sustentación.

El flujo de aire que pasa por el extradós es desviado hacia abajo ( downwash).
Ese desvío es la acción. La reacción es la sustentación producida en el ala. 

Para conseguir más sustentación, el ala debe desviar una mayor cantidad de aire o aumentar la velocidad de este hacia abajo.

Las alas ¨empujan¨mucho aire hacia abajo, detrás del borde de fuga. Este efecto es generado por la aceleración que se produce en el aire, al pasar por el extradós.
Esta consecuencia del ala desplazándose en el aire, la vemos al tratar el ángulo de ataque inducido, diapositiva # 10.
Quienes sostienen esta teoría, dicen que con la depresión que se produce en el extradós, no sería fuerza suficiente para soportar el peso de la aeronave.  

Diapositiva 1: Flujo en el perfil

El planeador cuando vuela, genera una corriente de aire que pasa a través de las alas.

Tomando una sección del ala, que llamamos perfil, observamos como lo indica la figura, que se produce un estrangulamiento de la corriente de aire que pasa en la cara superior (extradós). Ese estrangulamiento hace que el flujo de aire se acelere y produzca una depresión en esa cara. Mientras que en la parte inferior (intradós) se produce una presión hacia arriba, porque la corriente de aire se desacelera. 

Diapositiva 2: El principio de Bernoulli

¿Cómo se explica el hecho de que  el aire se acelera en la cara superior del perfil y genera una depresión?

Lo explica el principio de Bernoulli (1700). Según muestra la figura, en un tubo por donde circula corriente de aire; en la parte donde se encuentra el estrangulamiento, éste se acelera y eso genera una depresión. Cuando se ensancha, se desacelera y aumenta su presión nuevamente.  

Diapositiva 3 y 4: Fuerzas en el perfil

Los vectores representan la dirección e intensidad de las fuerzas en el perfil.  

Las fuerzas distribuidas en todo el perfil, dan como resultado una fuerza F aplicada en el centro de presión. De la descomposición de esta fuerza, hay una vertical que nos interesa, es la sustentación L. 

También vemos que hay un ángulo formado entre la cuerda del perfil y el aire relativo, llamado ángulo de ataque α (alfa)

La fuerza D es la resistencia, que veremos más adelante.  

Diapositiva 5: Fuerzas en vuelo equilibrado

Para poder estudiar la actuación del planeador, debemos considerarlo en vuelo equilibrado. Esto quiere decir manteniendo una velocidad sin acelerarse ni desacelerarse. 
Las fuerzas que actúan sobre este son: 
Sustentación L, igual y opuesta al peso W.
Tracción o Empuje T, igual y opuesta a la Resistencia D. 
EL empuje se obtiene, en un planeador, de transformar la energía potencial lograda en una térmica al ganar altura, en energía cinética, expresada en velocidad. La energía potencial también aumenta con el peso. 

Diapositiva 6: Sustentación

De esas fuerzas, una de las más  buscadas es la sustentación. 
En la generación de la fuerza sustentadora L intervienen:

1. El coeficiente de sustentación CL, es una variable que representa la capacidad sustentadora del perfil, que cambia con la forma de este y con el ángulo de ataque α.
2. La presión dinámica q, que es la mitad de la densidad del aire ρ, por el cuadrado de la velocidad V
3. La superficie del ala. 

Diapositiva 7: CL en función de α

Dijimos que en vuelo equilibrado, consideramos la sustentación L siempre igual al peso W.

Si queremos modificar la velocidad, por ejemplo reducirla, debemos aumentar el CL. 

Al tirar palanca atrás para lograrlo, lo que hacemos es aumentar el ángulo de ataque  α, con lo que aumentamos el coeficiente de sustentación según muestra esta figura.

¿Cómo leemos esta curva?

Por ejemplo: para un valor de α 10 trazamos una línea vertical desde esa medida, paralela al eje  CL   hasta tocar la curva. Desde allí trazamos una línea horizontal hasta tocar el eje de CL, y leemos el valor generado por 10 de  α, que es aproximadamente 1,1.

Si seguimos aumentando el ángulo de ataque llegamos al valor de  CL máximo. Más allá de ese valor la aeronave entra en pérdida de sustentación. 

Cada perfil tiene una curva diferente de valores de CL en relación al ángulo de ataque α. 

Diapositiva 8: Cl de diferentes perfiles

CL de diferentes perfiles

Como mencioné en la figura anterior, observamos curvas de diferentes perfiles. Vemos que de acuerdo a sus formas, los perfiles tienen diferentes capacidades para acelerar el flujo de aire que pasa por ellos, logrando distintos valores de CL para un mismo valor de α. O también, un mismo valor de CL con distintos valores de ángulo de ataque. Esta capacidad de cambiar las forma de los perfiles, las tienen las alas con flaps.

Diapositiva 9: CD en función de α

El perfil modifica su coeficiente de sustentación al variar α, cuando interviene como factor para producir la sustentación. Pero también genera un coeficiente de resistencia CD  que del mismo modo se modifica en relación a la variación de α. 

Según vemos en la figura incrementa mucho su valor al aumentar el ángulo de ataque α.

En general podríamos decir que los perfiles muy sustentadores, también generan más resistencia al avance.

Diapositiva 10: Ángulo de ataque inducido

El ala que está sustentando, desplaza hacia abajo el aire que pasa a través de ella. Suman este efecto los torbellinos de puntas de alas.

Este desplazamiento, provoca un cambio de dirección del aire relativo, delante del ala. Reduce el ángulo de ataque α, en un valor llamado ángulo de ataque inducido αi. 

La fuerza generada por el perfil es F, de la que obtenemos la codiciada sustentación L. También produce otra fuerza contraria al avance, inevitable, llamada resistencia inducida Di

Diapositiva 11: Resistencia inducida

Este tipo de resistencia prevalece cuando volamos a bajas velocidades. Por ejemplo volando en circuito de tránsito, en virajes, en térmicas, o próximos al aterrizaje. 
A tener en cuenta, su valor es máximo, al llegar a la pérdida.
Los winglets la reducen, y en aeronaves de gran porte producen un ahorro de combustible de alrededor del 3%. Porque si bien, al aumentar la velocidad disminuye,  no desaparece totalmente.

Diapositiva 12: Resistencia Parásita

Cuanto mayor sea la superficie frontal del planeador, mayor será la resistencia parásita que produce. Esta es llamada de forma o de presión.  

La resistencia por fricción, tiene que ver con el rozamiento del flujo de aire en las rugosidades o imperfecciones de las superficies del ala y el planeador en general.

Las interferencias entre flujos de aire, con distinta dirección provocan resistencia. En la unión de ala y fuselaje, o la del estabilizador horizontal con el vertical. El flujo de aire que circula por el fuselaje (capa límite), produce perturbaciones en la circulación de la capa límite, cerca del borde de fuga de la raiz de ala. Le quita energía y por eso propende a desprendimientos, que reducen su rendimiento. Es mayor el efecto negativo en un ala baja. Por eso existen los carenados para disminuirla.

También provoca resistencia (adicional) el ingreso de aire a tomas, orificios, bahía del tren de aterrizaje, caja del gancho de remolque, etc.    

Diapositiva 13: Di + Dp = D TOTAL

La suma de la resistencia inducida Di mas la resistencia parásita Dp, dan como resultado la RESISTENCIA TOTAL D.

Se ve en la curva, las velocidades donde predomina cada tipo de resistencia. El comienzo de la curva de D, lado izquierdo, representa la velocidad mínima volable, debajo de esa el planeador entra en pérdida. Desde esa velocidad hasta la de mínima resistencia total D, es considerable la resistencia inducida Di  (decreciendo).

A partir de la velocidad de mínima resistencia ó L/D máxima, al aumentar la velocidad aumenta mucho la resistencia parásita Dp (1er régimen).

Recordar esta curva es importante porque nos ayuda a analizar distintas fases del vuelo.

Observamos que si volamos a bajas velocidades  ( debajo de D mínima), al reducir la velocidad, aumenta la resistencia     ( 2do régimen) . Es un error pretender reducir la relación de descenso, tirando mucho palanca atrás, con baja velocidad y poca energía.  Lo que logramos es aumentar el descenso porque aumentamos la resistencia.

La velocidad correspondiente a L/D máxima, que coincide con la  de mínima resistencia total D, es la que, en un planeador, nos permite el mayor alcance (distancia en relación a la altura perdida).