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AERODINAMICA

INTRODUCCION

Laaerodinmicaes una rama dela dinmica de fluidosque se centra en la comprensin y el anlisis de flujo de aire, y posiblemente sus efectos en pruebas slidas que rodean.La aerodinmica(trmino cientfico) describe la aparicin de un cuerpo que se mueve en elairey su resistencia al progreso.

HISTORIA

Para ser capaz de tomar una esquina a alta velocidad, los ingenieros tuvieron que construir nuevos coches soluciones aerodinmicas.A partir de 1960 comenzaron los primeros acontecimientos que condujeron a la introduccin de estas nuevas alas que aumentaron el rendimiento del coche.En 1968 los primeros coches de Frmula 1 fueron equipados con estas alas.Las primeras bandas eran demasiado dbiles y la luz, tanto es as que durante las carreras que se cay causando accidentes.

Definicin:El nombre indica que la aerodinmica es la ciencia que estudia la dinmica del fluido en el que se mueven la mayor parte del transporte realizado por el hombre.Por qu el estudio de esta ciencia es tan importante en el diseo de los coches, y en particular de un coche de F1?Debido a que el aire (que se parece a un gas transparente difcil de investigar y estudiar con herramientas sencillas

Teorema de BernoulliFue formulado en 1738 por el matemtico y fsico Daniel Bernoulli y enuncia que se produce una disminucin de la presin de un fluido (lquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad. El teorema afirma que la energa total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminucin de su presin.

Efecto VenturiLas partculas de un fluido que pasan a travs de un estrechamiento aumentan su velocidad, con lo cual disminuye su presin.

Perfil aerodinmicoUn cuerpo que posee una forma tal que permite aprovechar al mximo las fuerzas originadas por las variaciones de velocida- des y presiones de una corriente de aire se denomina perfil aerodinmico. Si realizamos un ejemplo grfico tomando dos partculas que se mueven a una velocidad de 90 Km/h, y con una presin de 1 Kg/cm2, antes de la perturbacin originada por la introduccin del perfil aerodinmico. Entre la parte superior del perfil y la lnea recta superior horizontal se produce una reduccin de espacio, logrando un aumento de la velocidad del aire, mientras que en la parte inferior del perfil el recorrido de las partculas es horizontal, no modificando la corriente del aire.

Principio del vuelo

Un avin se sustenta en el aire como consecuencia de la diferencia de presio- nes que se origina al incidir la corriente de aire sobre un perfil aerodinmico, como es el ala. En la parte superior de la misma se produce un aumento de velocidad ya que la trayectoria a recorrer por las partculas de aire en esta, es mayor que en la parte inferior, en el mismo tiempo. Por lo visto anteriormente se origina en la parte superior una disminucin de presin con respecto a la parte inferior, produciendo de esta forma la sus- tentacin del ala.

SustentacinLa sustentacin producida en un ala o superficie aerodinmica es directa- mente proporcional al rea total expuesta al flujo de aire y al cuadrado de la velocidad con que ese flujo incide en el ala. Tambin es proporcional, para valores medios, a la inclinacin del ngulo de ataque del eje de la superficie de sustentacin respecto al de la corriente de aire.

Variables que influyen en la sustentacin

Son varias las variables que influyen en la sustentacin del avin, definiendo estas la sustentacin del peso y la carga que transportar, algunas estn da- das por el diseo, otras por condiciones climticas y otras las puede variar el piloto.

1) Densidad del aire:El aire posee diferentes densidades dependiendo directamente de la tempe- ratura del mismo. La densidad es la cantidad de partculas de aire por unidad de volumen. El aire caliente es menos denso que el aire fro, por lo tanto en invierno los aviones vuelan mejor.2) Velocidad del aire sobre el perfil aerodinmico:La sustentacin es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.3) La superficie alar:Cuanto mayor es la superficie alar mayor es la sustentacin. Generalmente se posee poca accin para modificar esta accin. En el caso del PIPER PA11 no se puede modificar ya que no posee dispositivos hipersustentadores.4) El ngulo de ataque:La sustentacin es directamente proporcional al coseno del ngulo de ataque. La frmula de la sustentacin que agrupa todos estos elementos sera la siguiente:

ResistenciaLos mismos factores que contribuyen al vuelo producen efectos no deseables como la resistencia. La resistencia es la fuerza que tiende a retardar el movi- miento del avin en el aire. Un tipo de resistencia es la parsita, producida por la friccin del fuselaje, tren de aterrizaje, alerones, etc. Depende de la forma del objeto y de la rugosidad de su superficie. Se puede reducir mediante perfiles muy aerodinmicos del fuselaje y alas del avin. Hay diseos que incorporan elementos para reducir la friccin, consiguiendo que el aire que fluye en con- tacto con las alas mantenga el llamado flujo laminar cuando se desliza sobre ellas sin producir torbellinos.

Se llama resistencia total a la suma de ambas resistencias. La ingeniera Aero nutica trata de conseguir que la relacin entre la sustentacin y la resistencia total sea lo ms alta posible, que se obtiene tericamente al igualar la resistencia aerodinmica con la inducida, pero dicha relacin en la prctica est limitada por factores como la velocidad y el peso admisible de la clula del avin.

Prdida

La prdida es la incapacidad del ala para producir la sustentacin necesaria, debido a un ngulo de ataque excesivo.Para ngulos superiores a 14 grados, la sustentacin cambia con rapidez hasta llegar a la prdida total cuando, por efecto de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en la superficie de las alas. En sta situacin se dice que el perfil aerodinmico ha entrado en prdida.

Viento relativo

Movimiento de la masa de aire con una velocidad determinada y direccin, siendo esta la que produce la sustentacin del avin.

Trayectoria de vueloEs la trayectoria seguida por el perfil alar durante su desplazamiento en la masa de aire y es siempre opuesta al viento relativo.

Angulo de ataqueEs el ngulo formado entre la cuerda alar y la trayectoria seguida por el centro de gravedad de ese plano

Fuerzas a las que est expuesto el avin en vueloLas fuerzas que actan constantemente sobre el avin en vuelo son:Peso Sustentacin Traccin ResistenciaEl avin posee un peso y la funcin aerodinmica es tratar de crear una fuer- za igual y de sentido contrario al peso del avin. La sustentacin se logra dando velocidad al ala, en nuestro caso mediante la hlice del avin que es impulsada mediante un motor. La hlice es la encargada del movimiento de traccin. La creacin de la sustentacin logra una resistencia parsita e indu- cida que se denominar en general resistencia.

El Avin en vuelo recto nivelado y sin aceleracin, equilibra estas cuatro fuer- zas igualando de la siguiente forma:PESO = SUSTENTACION TRACCION = RESISTENCIAEn el caso que aumenta la traccin, el avin aumentar la velocidad, au- mentando la resistencia hasta equilibrar la traccin y la resistencia. Si el avin pierde peso, el avin ascender hasta equilibrar el peso y la sustentacinEl centro de gravedadEs el punto imaginario en el cual se considera concentrada toda la masa del avin. Normalmente se considera este situado en el eje longitudinal y aproxi- madamente a de distancia del la lnea imaginaria (datum) o borde de ata- que del ala. Este se desplaza hacia delante o hacia atrs dependiendo de la cantidad de ocupantes, en la posicin del piloto encaso que el ocupante sea uno solo, el equipaje que lleva, etc.

El centro aerodinmicoEl centro aerodinmico es el punto imaginario en el cual se considera que toma la fuerza de sustentacin. Se considera este tomado de la cuerda aerodinmica y a 25% del borde de ataque del ala. El centro aerodinmico se expresa en porcentaje de la cuerda aerodinmica. Este tiene unos lmites de desplazamiento anterior y posterior, que estn definidos en el Manual de Vuelo del avin.

El centro de gravedad y el centro aerodinmicoLa posicin relativa de estos dos puntos es importante para la estabilidad longitudinal. Si el centro de gravedad y el centro aerodinmico estn en el mismo plano, el avin tiene una estabilidad longitudinal neutra, o sea, que el peso del avin est compensado por la sustentacin.Si el centro de gravedad est por detrs del centro aerodinmico, el avin toma la posicin de encabritado.

Inconvenientes originados por la cargaLos inconvenientes de carga mxima que pueden ser presentados al piloto del avin, cuando se lleva a cabo algn cambio en el equipamiento o se procede a una distribucin de la carga distinta a la recomendada o establecida en los cmputos de peso y balanceo, pueden ser resueltos en forma rpida, aplicando el mtodo que se presenta en la Tabla de Carga, mediante la cual se puede conocer si la ubicacin del centro de gravedad est dentro de los lmites esta- blecidos, respetando el peso mximo de 554 Kg. en categora normal y de 567Kg. en categora restringida, el cual no debe ser sobrepasado.

TABLA DE CARGA

Clculo prctico del peso y centradoTres son los procedimientos para calcular el peso y centrado del avin:a) Matemticob) Grficoc) TablasGeneralmente la empresa constructora proporciona la informacin para realizar los clculos mediante el procedimiento grfico o por tablas.

Procedimiento matemticoToda carga que se coloca en el avin est situada a una distancia determinada respecto a la lnea de referencia o DATUM, esta distancia se denomina BRAZO (d) medido en metros. Multiplicando esta distancia por el peso se obtiene el MOMENTO cuya unidad ser el kilogrmetro (kgm). Este valor ha de ser con- siderado al calcular el centro de gravedad.

1) Hacer una relacin con los distintos pesos del avin (combustible, aceite, etc.) en base a la tabla de carga precedida.2) Multiplicar los pesos por sus brazos respectivos, para hallar los momentos.3) Sumar los pesos para obtener el total.4) Sumar los momentos para hallar el momento final.5) Dividir el momento final por el peso total, para hallar el brazo del C.G. y por lo tanto su distancia respecto a la lnea de referencia o datum.6) Comparar el peso total con el peso mximo autorizado y la situacin delC.G. con respecto a los lmites anterior y posterior.

Ejemplo

Con los datos siguientes, calcular si el avin est dentro de sus lmites de peso y centrado.1) La lnea datum es el borde de ataque del ala.2) El peso en vaco del avin es de 340,8 Kg. y su brazo es de 0,372 mts.3) Combustible cargado 64 lts. (46 kg.) y un brazo de 0,609 mts.4) Aceite cargado 4,730 lts. (4,26 kg.) con un brazo de 0,85 mts.5) Piloto en asiento delantero con un peso de 85 Kg. y un brazo de0,228 mts.6) Equipaje 12 Kg. con un brazo de 1,397 mts.7) Los lmites del C.G. son 0,350 a 0,394 mts.8) El peso mximo autorizado para el despegue es de 554 Kg.

Comparando el peso mximo con el peso total:Peso mximo554,00 Kg. Peso total488,06 Kg.Margen65,94 Kg.EL AVION ESTA BIEN CARGADOComparando la posicin del C.G. con los lmites anterior y posterior: Lmite anterior 0,350 mts.Lmite posterior0,394 mts.Situacin del C.G.0,383 mts. DENTRO DE LOS LIMITESEL AVION ESTA BIEN BALANCEADO

GRACIAS