Aerodinámica

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La aerodinámica deriva de una rama de la física, la mecánica de los fluidos. Ésta estudia, entre otras cuestiones, las interacciones de los cuerpos sólidos cuando se encuentran en movimiento relativo al fluido que los envuelve, en el caso de la aerodinámica el fluido es el aire.

Representación de la incidencia del aire como fluido sobre el ala de un ave.

HISTORIA DE LA AERODINÁMICA

El hombre siempre ha encontrado maneras de aprovechar los recursos a su favor a lo largo de la historia, las fuerzas aerodinámicas no han sido la excepción. Los registros más antiguos que se han documentado en cuanto a esto serían los que recogen información acerca del aprovechamiento del viento a través de la navegación marítima con veleros y embarcaciones, así como también el uso de los molinos de viento.

El hombre ha logrado sacar provecho de las fuerzas aerodinámicas, la navegación es el principal ejemplo de ello.

HISTORIA DE DÉDALO E ÍCARO

Quizás uno de los registros más antiguos donde podemos encontrar referencias a la aerodinámica se encuentra en el relato mitológico de Dédalo e Ícaro, que es parte de la mitología griega. En él, padre e hijo fueron encerrados por el Rey Minos de Creta en un laberinto, construido para mantener encerrado a un Minotauro. Desesperados por salir idearon una manera de huir, construyendo alas hechas de plumas de aves y cera de abejas. Al momento de escapar Dédalo indicó a su hijo, Ícaro, que no volara muy bajo para que sus alas no se mojaran y se volvieran más pesadas, pero que tampoco volara demasiado alto pues el calor del sol derretiría la cera y se desplomaría. El hijo ignoró la advertencia de su padre, voló demasiado alto, por lo que terminó cayendo y murió.

En otros escenarios, personajes como Arquímedes y Aristóteles plantearon ideas sobre los fluidos, acerca de la presión y la relación entre ambas variantes. Otros investigadores que estudiaron la resistencia al viento fueron Leonardo Da Vinci y Galileo Galilei, aunque no desarrollaron una teoría científica rigurosa acerca del flujo del aire. Isaac Newton fue el primero en establecer una teoría de resistencia al aire, en la cual consideraba aspectos como el arrastre, la fuerza de resistencia, la densidad del fluido y la velocidad de éste. Sin embargo su teoría tuvo muchos aspectos erróneos que llevaron a pensar que el vuelo podía resultar más difícil de lo que realmente era.

Isaac Newton fue la primera persona en proponer una ley para la resistencia al aire y logró abrir campo para muchos estudios posteriores.

En épocas modernas, específicamente en el año 1889, el ingeniero aeronáutico Charles Renard, conjuntamente con el físico alemán Hermann von Helmholtz, llegaron a establecer la cantidad de energía necesaria para mantener un vuelo sostenido, tomando como base el vuelo de las aves. De esta manera concluyeron que el hombre nunca podría lograr elevarse por sí mismo mediante alas en sus brazos. Este estudio también sirvió para determinar que las superficies curvas y finas proporcionarían menor roce con el viento y por lo tanto podrían sostenerse mejor en el aire; en base a esto se lograron los primeros vuelos con planeadores.

Los estudios de Charles Renard sirvieron como base para desarrollar el vuelo en planeadores.

EL VUELO

El vuelo consiste en el desplazamiento de un objeto más denso y pesado que el aire a través de este, puede darse por elevación aerodinámica como es el caso de los aviones o por flotabilidad aerostática como en los dirigibles.

¿CÓMO VUELA UN AVIÓN?

Para que un objeto pueda volar, la fuerza vertical que lo empuja hacia arriba tiene que ser mayor o al menos igual que la de su peso (producto de la gravedad sobre la masa del cuerpo). La fuerza que sostendrá al avión es generada por la forma de las alas, ya que poseen una forma perfilada y al darse el paso del viento a través de ellas se obtiene un impulso vertical hacia arriba.


Los aviones se elevan cuando la fuerza vertical que los impulsa hacia arriba es mayor que su peso.

Cuando un objeto se encuentra en vuelo intervienen cuatro fuerzas principales, estás son la fuerza de sustentación o ascensional, la fuerza de tracción o de empuje, la fuerza de resistencia o arrastre y la fuerza que ejerce la gravedad sobre la masa del objeto, es decir; su peso.

Las alas de los aviones se construyen en base al principio de Bernoulli, que explica de manera sencilla la sustentación de las aeronaves en el aire.

FUERZA DE SUSTENTACIÓN O ASCENSIONAL

Una de las leyes principales que explica el comportamiento de los fluidos es la teoría o principio de Bernoulli, la cual nos indica que un fluido ideal, es decir, aquel que no posee ni rozamiento ni viscosidad, cuenta con una energía constante a lo largo de su recorrido. También relaciona la velocidad del fluido con respecto a la presión. Las alas de los aviones están construidas bajo estos principios para que el aire fluya de manera más rápida sobre la parte superior en relación a la inferior, con lo cual se genera una diferencia de presión entre ambas superficies; de este modo, al ser menor la presión de arriba, el avión puede sustentarse en el aire.

FUERZA DE TRACCIÓN O EMPUJE

La fuerza de empuje es aquella que aplica el avión para desplazarse a través del fluido en el que se encuentra, es decir el aire. Esto lo logra mediante su mecanismo de impulso, que en la mayoría de los casos es el motor de la aeronave. Los motores se encargan de empujar los gases o el aire hacia la parte posterior del avión con una elevada velocidad, generando el empuje. Los motores pueden ser de hélices como en el caso de las avionetas o de turbina como en el caso de los aviones tipo “jet”. Esta fuerza es opuesta a la fuerza de resistencia o arrastre y debe ser superior a ella.

FUERZA DE ARRASTRE O RESISTENCIA

Es la fuerza que se opone al movimiento de los cuerpos inmersos en un fluido determinado, en nuestro caso es la fuerza que resulta opuesta al movimiento del avión a través del aire. Ésta fuerza depende de ciertas variables como son la forma aerodinámica de la nave, la densidad del fluido, es decir del aire, y de la fricción o roce de éste con la aeronave. Siempre se debe tratar de minimizar esta fuerza para reducir también el consumo de combustible necesario para mantener la nave en vuelo.

La forma de la aeronave o avión influye mucho en la fuerza de resistencia o arrastre generada, ya que en la medida en la que el aire pueda fluir de mejor manera a través de la estructura se genera menos fricción y por lo tanto menor resistencia, resultando en una menor inversión de energía para mantener la sustentación. En cuanto a la forma de las alas es deseable que sean curvadas y que la curvatura superior sea mayor que la inferior, ya que esto favorece la sustentación, aunque no depende únicamente de ello.

Los aviones se construyen con formas que disminuyan la fuerza de arrastre.

¿CÓMO VUELA UN HELICÓPTERO?

Básicamente utilizan el mismo principio que los aviones pero con la diferencia de que la fuerza de sustentación no se obtiene impulsando la máquina completa, sino mediante el movimiento circular de sus alas, es por esto que se habla de rotor en lugar de alas. Gracias a sus rotores los helicópteros tienen la capacidad de elevarse sin necesidad de desplazarse horizontalmente, pero la complejidad surge al momento de controlar el vuelo, ya que es el mismo rotor quien también produce la fuerza de empuje.


Los helicópteros utilizan alas giratorias también conocidas como rotores para generar su fuerza de sustentación, permitiéndoles despegar sin desplazarse en forma horizontal.

FUERZA DE GRAVEDAD

El peso es el resultado de la acción que ejerce la fuerza de atracción de la Tierra, la fuerza de gravedad, a todos los cuerpos y sustancias que poseen masa y se encuentran sobre la superficie del planeta. La fuerza de gravedad se opone al levantamiento o a la sustentación de los objetos voladores, bien sea cuando están en tierra como también cuando se encuentran en vuelo.

OTRAS APLICACIONES DE LA AERODINÁMICA

La aerodinámica posee muchas aplicaciones además de las ya utilizadas en todo lo relativo a la navegación aérea y al vuelo. Es importante en el diseño de cualquier tipo de vehículos, especialmente en los automóviles, y con mayor énfasis en los utilizados en carreras, ya que mientras más aerodinámicos sean éstos, se obtendrá más eficiencia y velocidad. También es esencial en la navegación marítima, en la fabricación y uso de barcos y botes, en la construcción de piezas mecánicas y electrónicas, como por ejemplo los cabezales de los discos duros, etc. En arquitectura también es primordial para la construcción de edificios, puentes y demás estructuras. La aerodinámica ambiental estudia el flujo de los gases en la atmósfera y su impacto en los ecosistemas; la aerodinámica interna, por su parte, estudia el comportamiento de los fluidos dentro de tuberías de ventilación, de calefacción, de gas e incluso dentro de los motores de los automóviles.

La aerodinámica tiene muchas aplicaciones aparte del vuelo, una de las más populares es su implementación en automóviles competitivos de gran velocidad.