Ante todo, pedir perdón: Dije que publicaría una vez por semana en esta sección, y me he pasado una semana entera. Es que no he tenido tiempo!! Pero os compensaré con dos entradas muy seguiditas.
Bueno, la cosa es que aquí estoy, y de nuevo, intentaré que conozcáis más cosas de la aeronáutica. Resumiremos lo aprendido en las dos entradas de "¿Por qué vuelan...?".
Bueno, la cosa es que aquí estoy, y de nuevo, intentaré que conozcáis más cosas de la aeronáutica. Resumiremos lo aprendido en las dos entradas de "¿Por qué vuelan...?".
- La sustentación se genera por la diferencia de presiones entre extradós e intradós.
- La geometría del perfil, así como las propiedades del aire que lo rodea (capa límite), influyen en la sustentación. Ésta varía con el ángulo de ataque de forma lineal hasta cierto valor de ángulo de ataque, llamado "de entrada en pérdida".
- Durante el vuelo, se pueden variar estas características geométricas y de la capa límite para alterar la curva de la sustentación y evitar la pérdida en situaciones desfavorables, como un aterrizaje.
Bueno, pues en esta ocasión, como ya sabemos mucho sobre perfiles, vamos a extender éste perfil a la tercera dimensión, obteniendo UN ALA. Intentaré que sea la última parte de "¿Por qué vuelan...?". Ésta puede ser una lección dura, a ver qué sale.
1. EL ALA. TORBELLINOS DE PUNTA DE ALA.
Cuando al perfil le añadimos una dimensión más, tenemos un ala. Éstos son los parámetros que caracterizan un ala:
Como pasaba con el perfil, estos valores modifican la sustentación y resistencia del ala.
Bueno, vamos a empezar a pensar. Los fluídos se mueven de las altas a las bajas presiones, pero como un perfil (bidimensional) se mueve a una velocidad V, el aire no puede desplazarse desde intradós (alta P) a extradós (baja P), pero sí que lo intenta, "empujando" al perfil (sustentación). Pero ahora, al ser el ala tridimensional, en la punta del ala sucede que también existe esa diferencia de presiones, y el aire intenta subir por el camino más corto: rodeando la punta del ala. Ésto lo que hace es inducir una velocidad tangencial al fluído, y provoca la aparición de un torbellino en la punta del ala:
Esto influye en la sustentación, como ahora veremos. De momento os propongo que penséis una cosa: Coge un papel y recortalo con forma de perfil. Es prácticamente bidimensional, ¿verdad? Ahora recorta otros 200, y los apilas todos. Es tridimensional, ¿a que si? Y cada perfil tiene su propia sustentación, eso quiere decir que la sustentación se distribuye a lo largo de la envergadura (ver parámetros geométricos del ala). Bueno, pues debido a que las alas no suelen ser iguales a lo largo de la envergadura (tienen flecha, o estrechamiento, o torsión, o diedro...), y a los fenómenos de torbellino en la punta, la sustentación VARIARÁ a lo largo de la envergadura, es decir, hay una DISTRIBUCIÓN. Genéricamente es tal que así: en la punta de las alas es nula, y en el centro es máxima.
Lo azul es la sustentación del ala, y lo rojo es la intensidad del torbellino.
2. FORMA EN PLANTA DEL ALA
Empezamos con alas rectangulares, sin flecha. Que el ala sea recta (sin flecha) quiere decir que la línea c/4 (es decir, la línea que pasa por los puntos 1/4 de la cuerda del perfil) es perpendicular al fuselaje (a la velocidad). Éstas alas fueron las primeras en utilizarse, puesto que son las más fáciles de construir. Pero su problema es que tienen mucha resistencia.
Cuanto más alargamiento tenga el ala, mejor sustenta, puesto que los torbellinos de punta están más alejados, e influyen menos en la sustentación total. Y debido a esto precisamente, disminuye la resistencia inducida del ala. Por eso los veleros llevan este tipo de ala.
El estrechamiento es que la cuerda se vaya haciendo más pequeña hacia la punta (sin quitar el hecho de que la linea c/4 sea perpendicular. El estrechamiento tiene la ventaja de que, al reducir el material hacia la punta, los momentos flectores son menores: quiero decir que la mayoría de la masa se encuentra hacia el encastre del ala con el fuselaje, mientras que la punta "pesa poco", por lo que la estructura es más ligera y sólida, todo a la vez. Además, desplaza la sustentación hacia la punta del ala, pero también esa zona es más propensa a entrar en pérdida:
Ya sea con estrechamiento o sin él, las alas rectas tienen un gran problema,y es que a velocidades altas (M>0,7) producen una altísima resistencia.
El ala con flecha corrige este problema. Aunque someramente, ya que los fenómenos transónicos y supersónicos están reservados para otro artículo, veámos por qué pasa esto:
La resistencia se produce por la velocidad perpendicular al borde de ataque del ala. Entonces, si un ala tiene flecha, la velocidad se puede descomponer en dos componentes, una paralela y otra perpendicular:
Es fácil ver que cuanta más flecha tenga, más pequeña va a ser la componente perpendicular, y más pequeña será su resistencia a altas velocidades (sin embargo la resistencia inducida, que está relacionada con los torbellinos de punta, es grande con la flecha). A grandes rasgos, esta explicación nos sirve.
Como pasaba con el ala recta con estrechamiento, la flecha desplaza Cl hacia la punta. Lo malo es que el Cl del perfil disminuye también. Pero como los aviones de flecha van a toda leche, tampoco importa demasiado (aunque a la hora de aterrizar, a baja velocidad, si que importa, por eso se usan los flaps):
Como hemos visto, hay una componente de velocidad paralela al ala, es decir, el flujo recorre el ala hacia la punta, y eso es perjudicial porque este flujo puede desprender el aire que pasa por extradós e intradós perpendicularmente (el que sustenta), haciendo que aparezca la resistencia en la punta (al igual que pasaba con el ala recta con estrechamiento, y por las mismas razones). Una solución es la flecha variable, como el Rockwell B-1 o el Grumman F-14. La flecha aumenta para velocidades altas y disminuye para velocidades bajas.
Cabe decir que esto es una complicación ingenieril al avión, además un mecanismo así añade peso, y el peso en aeronáutica es un problema. Aún con este complicado mecanismo, el B-1B tiene espacio en sus bodegas como para hacer esto:
Otra solución es usar la flecha invertida, que tiene las mismas mejoras en cuanto a resistencia a altas velocidades, pero al estar invertida, el flujo va hacia el encastre, y el fuselaje ayuda a que no se desprenda tanto, evitando estas pérdidas.
Lo malo de este tipo de flecha es que es muy inestable, por eso para un caza si vale, porque un caza tiene que ser nervioso, y moverse como un diablo, mientras que para un avión comercial no, puesto que si se mueve mucho, los pasajeros se quejan. Además tiene problemas estructurales, aunque la flecha normal también.
El ala en delta aumenta aún más la resistencia inducida, pero a altas velocidades tiene muy buen comportamiento, aunque es muy inestable. Actualmente con el sistema fly-by-wire no pasa nada. Además el delta se utiliza en cazas, puro nervio. Como inconvenientes, hablar de su eficiencia aerodinámica, baja. Como ventajas, hablar de que estructuralmente es muy robusta, y deja mucho espacio para combustible o mecanismos de cualquier tipo. Su distribución de sustentación está muy repartida a lo largo de la envergadura, casi no varía:
Por último quiero hacer especial mención a las alas elípticas, olvidadas y tan elegantes. Mucha gente le dices "ala elíptica" y piensa en cosas raras, circulares y demás. Pues no. El ala elíptica es el diseño OBLIGADO desde los años 30 hasta bien entrados los 50 (o 60). El ala púramente elíptica entra en pérdida de golpe, así que lo que hicieron fue hacer dos elipses juntas. Además, el ala elíptica es la que da la resistencia MÍNIMA, pero por supuesto, construir un ala así es difícil. ¿Qué pasa? ¿No os creéis lo de las alas elípticas? Pues buscad en google: Spitfire, Polikarpov I-16, Me 109, o mil aviones más.
Y por último, ¿cómo afecta la torsión al ala? Pues pensad que lo que hace la torsión es dar más ángulo de ataque al perfil, así que la torsión modifica la sustentación. Ya sabéis, a más ángulo de ataque, más sustentación.
3. HIPERSUSTENTADORES EN ALAS. CONFIGURACIONES ESPECIALES.
Vimos que en el perfil, los hipersustentadores de geometría, como el flap, hacían que la curva de Cl se desplazase hacia arriba, y los de control de capa límite alargaban la curva (daban un mayor ángulo de entrada en pérdida). Muy bien, pero, ¿cómo influye un hipersustentador en la distribución de Cl del ala? Sencillo. Si lo que hace un hipersustentador es aumentar la sustentación, pues influye así:
Hablemos de configuraciones especiales del ala, como los fences, los winglets, o los generadores de torbellinos, muy interesantes.
1. EL ALA. TORBELLINOS DE PUNTA DE ALA.
Cuando al perfil le añadimos una dimensión más, tenemos un ala. Éstos son los parámetros que caracterizan un ala:
Como pasaba con el perfil, estos valores modifican la sustentación y resistencia del ala.Bueno, vamos a empezar a pensar. Los fluídos se mueven de las altas a las bajas presiones, pero como un perfil (bidimensional) se mueve a una velocidad V, el aire no puede desplazarse desde intradós (alta P) a extradós (baja P), pero sí que lo intenta, "empujando" al perfil (sustentación). Pero ahora, al ser el ala tridimensional, en la punta del ala sucede que también existe esa diferencia de presiones, y el aire intenta subir por el camino más corto: rodeando la punta del ala. Ésto lo que hace es inducir una velocidad tangencial al fluído, y provoca la aparición de un torbellino en la punta del ala:
Esto influye en la sustentación, como ahora veremos. De momento os propongo que penséis una cosa: Coge un papel y recortalo con forma de perfil. Es prácticamente bidimensional, ¿verdad? Ahora recorta otros 200, y los apilas todos. Es tridimensional, ¿a que si? Y cada perfil tiene su propia sustentación, eso quiere decir que la sustentación se distribuye a lo largo de la envergadura (ver parámetros geométricos del ala). Bueno, pues debido a que las alas no suelen ser iguales a lo largo de la envergadura (tienen flecha, o estrechamiento, o torsión, o diedro...), y a los fenómenos de torbellino en la punta, la sustentación VARIARÁ a lo largo de la envergadura, es decir, hay una DISTRIBUCIÓN. Genéricamente es tal que así: en la punta de las alas es nula, y en el centro es máxima.
Lo azul es la sustentación del ala, y lo rojo es la intensidad del torbellino.2. FORMA EN PLANTA DEL ALA
Empezamos con alas rectangulares, sin flecha. Que el ala sea recta (sin flecha) quiere decir que la línea c/4 (es decir, la línea que pasa por los puntos 1/4 de la cuerda del perfil) es perpendicular al fuselaje (a la velocidad). Éstas alas fueron las primeras en utilizarse, puesto que son las más fáciles de construir. Pero su problema es que tienen mucha resistencia.
Cuanto más alargamiento tenga el ala, mejor sustenta, puesto que los torbellinos de punta están más alejados, e influyen menos en la sustentación total. Y debido a esto precisamente, disminuye la resistencia inducida del ala. Por eso los veleros llevan este tipo de ala.
El estrechamiento es que la cuerda se vaya haciendo más pequeña hacia la punta (sin quitar el hecho de que la linea c/4 sea perpendicular. El estrechamiento tiene la ventaja de que, al reducir el material hacia la punta, los momentos flectores son menores: quiero decir que la mayoría de la masa se encuentra hacia el encastre del ala con el fuselaje, mientras que la punta "pesa poco", por lo que la estructura es más ligera y sólida, todo a la vez. Además, desplaza la sustentación hacia la punta del ala, pero también esa zona es más propensa a entrar en pérdida:
Ya sea con estrechamiento o sin él, las alas rectas tienen un gran problema,y es que a velocidades altas (M>0,7) producen una altísima resistencia.El ala con flecha corrige este problema. Aunque someramente, ya que los fenómenos transónicos y supersónicos están reservados para otro artículo, veámos por qué pasa esto:
La resistencia se produce por la velocidad perpendicular al borde de ataque del ala. Entonces, si un ala tiene flecha, la velocidad se puede descomponer en dos componentes, una paralela y otra perpendicular:
Es fácil ver que cuanta más flecha tenga, más pequeña va a ser la componente perpendicular, y más pequeña será su resistencia a altas velocidades (sin embargo la resistencia inducida, que está relacionada con los torbellinos de punta, es grande con la flecha). A grandes rasgos, esta explicación nos sirve.Como pasaba con el ala recta con estrechamiento, la flecha desplaza Cl hacia la punta. Lo malo es que el Cl del perfil disminuye también. Pero como los aviones de flecha van a toda leche, tampoco importa demasiado (aunque a la hora de aterrizar, a baja velocidad, si que importa, por eso se usan los flaps):
Como hemos visto, hay una componente de velocidad paralela al ala, es decir, el flujo recorre el ala hacia la punta, y eso es perjudicial porque este flujo puede desprender el aire que pasa por extradós e intradós perpendicularmente (el que sustenta), haciendo que aparezca la resistencia en la punta (al igual que pasaba con el ala recta con estrechamiento, y por las mismas razones). Una solución es la flecha variable, como el Rockwell B-1 o el Grumman F-14. La flecha aumenta para velocidades altas y disminuye para velocidades bajas.
Cabe decir que esto es una complicación ingenieril al avión, además un mecanismo así añade peso, y el peso en aeronáutica es un problema. Aún con este complicado mecanismo, el B-1B tiene espacio en sus bodegas como para hacer esto:
Otra solución es usar la flecha invertida, que tiene las mismas mejoras en cuanto a resistencia a altas velocidades, pero al estar invertida, el flujo va hacia el encastre, y el fuselaje ayuda a que no se desprenda tanto, evitando estas pérdidas.
Lo malo de este tipo de flecha es que es muy inestable, por eso para un caza si vale, porque un caza tiene que ser nervioso, y moverse como un diablo, mientras que para un avión comercial no, puesto que si se mueve mucho, los pasajeros se quejan. Además tiene problemas estructurales, aunque la flecha normal también.El ala en delta aumenta aún más la resistencia inducida, pero a altas velocidades tiene muy buen comportamiento, aunque es muy inestable. Actualmente con el sistema fly-by-wire no pasa nada. Además el delta se utiliza en cazas, puro nervio. Como inconvenientes, hablar de su eficiencia aerodinámica, baja. Como ventajas, hablar de que estructuralmente es muy robusta, y deja mucho espacio para combustible o mecanismos de cualquier tipo. Su distribución de sustentación está muy repartida a lo largo de la envergadura, casi no varía:
Por último quiero hacer especial mención a las alas elípticas, olvidadas y tan elegantes. Mucha gente le dices "ala elíptica" y piensa en cosas raras, circulares y demás. Pues no. El ala elíptica es el diseño OBLIGADO desde los años 30 hasta bien entrados los 50 (o 60). El ala púramente elíptica entra en pérdida de golpe, así que lo que hicieron fue hacer dos elipses juntas. Además, el ala elíptica es la que da la resistencia MÍNIMA, pero por supuesto, construir un ala así es difícil. ¿Qué pasa? ¿No os creéis lo de las alas elípticas? Pues buscad en google: Spitfire, Polikarpov I-16, Me 109, o mil aviones más.Y por último, ¿cómo afecta la torsión al ala? Pues pensad que lo que hace la torsión es dar más ángulo de ataque al perfil, así que la torsión modifica la sustentación. Ya sabéis, a más ángulo de ataque, más sustentación.
3. HIPERSUSTENTADORES EN ALAS. CONFIGURACIONES ESPECIALES.
Vimos que en el perfil, los hipersustentadores de geometría, como el flap, hacían que la curva de Cl se desplazase hacia arriba, y los de control de capa límite alargaban la curva (daban un mayor ángulo de entrada en pérdida). Muy bien, pero, ¿cómo influye un hipersustentador en la distribución de Cl del ala? Sencillo. Si lo que hace un hipersustentador es aumentar la sustentación, pues influye así:
Hablemos de configuraciones especiales del ala, como los fences, los winglets, o los generadores de torbellinos, muy interesantes.- FENCE: es una especie de pared que se coloca en el ala, siguiendo la cuerda del avión. Paran el flujo que va paralelo al ala, moviendose hacia la punta, por lo que reducen la pérdida de la punta (recordad lo que hemos visto en el ala con estrechamiento y en el ala con flecha):
Ésta misma función la cumple el VORTILÓN, que es lo mismo que un fence pero para intradós. Y lo mejor: los pilones de armamento o el soporte del motor hacen lo mismo. - WINGLET: Famosísimo, todo el mundo se fija en estos trastos cuando viajan. básicamente es que la punta del ala se viene hacia arriba. Esto reduce la resistencia inducida: básicamente, dificulta el paso del aire de intradós a extradós, por lo que dificulta la aparición del torbellino de punta de ala.
- GENERADOR DE TORBELLINO: ¿Recordáis que una vez concluímos que el flujo turbulento se desprende más tarde que el flujo laminar? Hasta teníamos una imagen de una bola de golf. Eso ya os suena, seguro. Pues muchos aviones tienen dispositivos llamados "generadores de torbellinos", que lo que hacen es que la capa límite sea turbulenta para que no se desprenda fácilmente, sobre todo cerca de los flaps, donde la pedazo de curva que tiene que recorrer el aire es considerable.
Participa | Aporta tú opinión
También te puede interesar, los siguientes artículos relacionados:
|
