Hay diferentes enfoques para el vuelo. Si un objeto tiene una densidad más baja que el aire, entonces es flotante y puede flotar en el aire sin gastar energía. Una nave más pesada que el aire, conocida como aerodina, incluye animales e insectos voladores, aviones de ala fija y helicópteros. Debido a que la nave es más pesada que el aire, debe generar elevación para superar su peso. La resistencia al viento causada por el movimiento de la nave a través del aire se denomina arrastre y se supera con empuje propulsor, excepto en el caso de deslizamiento.
Algunos vehículos también usan empuje para volar, por ejemplo, cohetes y jets de salto Harrier.
Finalmente, el impulso domina el vuelo de objetos voladores balísticos.
ForcesEdit
Las fuerzas relevantes para el vuelo son
- Empuje propulsor (excepto en planeadores)
- Elevación, creada por la reacción a un flujo de aire
- Arrastre, creada por fricción aerodinámica
- Peso, creado por gravedad
- Flotabilidad, para un vuelo más ligero que el aire
Estas fuerzas deben equilibrarse para que se produzca un vuelo estable.
ThrustEdit
Un avión de ala fija genera empuje hacia adelante cuando el aire se empuja en la dirección opuesta al vuelo. Esto se puede hacer de varias maneras, incluyendo las palas giratorias de una hélice, o un ventilador giratorio que expulsa el aire de la parte posterior de un motor a reacción, o expulsando gases calientes de un motor de cohete. El empuje hacia delante es proporcional a la masa de la corriente de aire multiplicada por la diferencia de velocidad de la corriente de aire. El empuje inverso se puede generar para ayudar al frenado después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de hélice de paso variable, o utilizando un inversor de empuje en un motor a reacción. Los aviones de ala rotatoria y vectorización de empuje Los aviones V/STOL utilizan el empuje del motor para soportar el peso de la aeronave, y la suma vectorial de este empuje hacia delante y hacia atrás para controlar la velocidad de avance.
LiftEdit
En el contexto de un flujo de aire relativo a un cuerpo volador, la fuerza de elevación es el componente de la fuerza aerodinámica que es perpendicular a la dirección del flujo. La elevación aerodinámica se produce cuando el ala hace que el aire circundante se desvíe, el aire entonces causa una fuerza en el ala en la dirección opuesta, de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton.
La elevación se asocia comúnmente con el ala de un avión, aunque la elevación también es generada por rotores en helicópteros (que son alas giratorias efectivas, que realizan la misma función sin requerir que el avión se mueva hacia adelante a través del aire). Mientras que los significados comunes de la palabra «elevación» sugieren que la elevación se opone a la gravedad, la elevación aerodinámica puede estar en cualquier dirección. Cuando un avión está en crucero, por ejemplo, la elevación se opone a la gravedad, pero la elevación se produce en ángulo al subir, descender o balancearse. En los automóviles de alta velocidad, la fuerza de elevación se dirige hacia abajo (llamada «fuerza descendente») para mantener el automóvil estable en la carretera.
DragEdit
Para un objeto sólido que se mueve a través de un fluido, el arrastre es el componente de la fuerza aerodinámica o hidrodinámica neta que actúa en dirección opuesta a la dirección del movimiento. Por lo tanto, el arrastre se opone al movimiento del objeto, y en un vehículo motorizado debe ser superado por empuje. El proceso que crea la elevación también causa cierta resistencia.
Relación de elevación a arrastre Edit
La elevación aerodinámica se crea por el movimiento de un objeto aerodinámico (ala) a través del aire, que debido a su forma y ángulo desvía el aire. Para un vuelo continuo recto y nivelado, la elevación debe ser igual y opuesta al peso. En general, las alas largas y estrechas pueden desviar una gran cantidad de aire a una velocidad lenta, mientras que las alas más pequeñas necesitan una velocidad de avance más alta para desviar una cantidad equivalente de aire y, por lo tanto, generar una cantidad equivalente de elevación. Los aviones de carga grandes tienden a usar alas más largas con ángulos de ataque más altos, mientras que los aviones supersónicos tienden a tener alas cortas y dependen en gran medida de la alta velocidad de avance para generar elevación.
Sin embargo, este proceso de elevación (desviación) causa inevitablemente una fuerza de retardo llamada arrastre. Debido a que la elevación y la resistencia son ambas fuerzas aerodinámicas, la relación entre elevación y resistencia es una indicación de la eficiencia aerodinámica del avión. La relación de elevación a arrastre es la relación L / D, que se pronuncia «Relación L sobre D».»Un avión tiene una alta relación L / D si produce una gran cantidad de elevación o una pequeña cantidad de resistencia. La relación de elevación/arrastre se determina dividiendo el coeficiente de elevación por el coeficiente de arrastre, CL / CD.
El coeficiente de elevación Cl es igual a la elevación L dividida por la (densidad r por la mitad de la velocidad V al cuadrado por el área del ala A). El coeficiente de elevación también se ve afectado por la compresibilidad del aire, que es mucho mayor a velocidades más altas, por lo que la velocidad V no es una función lineal. La compresibilidad también se ve afectada por la forma de las superficies de la aeronave.
El coeficiente de arrastre Cd es igual al arrastre D dividido por el (densidad r por la mitad de la velocidad V al cuadrado por el área de referencia A).
Las relaciones de elevación a resistencia para aviones prácticos varían de aproximadamente 4:1 para vehículos y aves con alas relativamente cortas, hasta 60: 1 o más para vehículos con alas muy largas, como planeadores. Un mayor ángulo de ataque en relación con el movimiento hacia adelante también aumenta el grado de desviación y, por lo tanto, genera una elevación adicional. Sin embargo, un mayor ángulo de ataque también genera resistencia adicional.
La relación de elevación/arrastre también determina la relación de planeo y el rango de planeo. Dado que la relación de planeo se basa solo en la relación de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la aeronave, el peso de la aeronave no lo afectará. El único efecto que tiene el peso es variar el tiempo durante el cual el avión se deslizará: un avión más pesado que se desliza a una velocidad más alta llegará al mismo punto de aterrizaje en un tiempo más corto.
Flotacióneditar
La presión de aire que actúa contra un objeto en el aire es mayor que la presión superior que empuja hacia abajo. La flotabilidad, en ambos casos, es igual al peso del fluido desplazado – Arquímedes principio es para el aire como para el agua.
Un metro cúbico de aire a presión atmosférica ordinaria y temperatura ambiente tiene una masa de aproximadamente 1,2 kilogramos, por lo que su peso es de aproximadamente 12 newtons. Por lo tanto, cualquier objeto de 1 metro cúbico en el aire se baliza con una fuerza de 12 newtons. Si la masa del objeto de 1 metro cúbico es mayor que 1.2 kilogramos (para que su peso sea superior a 12 newtons), cae al suelo cuando se suelta. Si un objeto de este tamaño tiene una masa inferior a 1,2 kilogramos, se eleva en el aire. Cualquier objeto que tenga una masa menor que la masa de un volumen igual de aire se elevará en el aire, en otras palabras, cualquier objeto menos denso que el aire se elevará.
Relación de empuje a pesoeditar
La relación empuje-peso es, como su nombre indica, la relación empuje-peso instantáneo (donde peso significa peso en la aceleración estándar de la Tierra g 0 {\displaystyle g_{0}}
). Es un parámetro adimensional característico de cohetes y otros motores a reacción y de vehículos propulsados por dichos motores (típicamente lanzaderas espaciales y aviones a reacción).
Si la relación empuje / peso es mayor que la fuerza de gravedad local (expresada en gs), entonces el vuelo puede ocurrir sin que se requiera ningún movimiento hacia adelante o elevación aerodinámica.
Si la relación empuje / peso multiplicada por la relación elevación / arrastre es mayor que la gravedad local, es posible despegar utilizando elevación aerodinámica.
Vuelo dynamicsEdit
La dinámica de vuelo es la ciencia de la orientación y el control de vehículos aéreos y espaciales en tres dimensiones. Los tres parámetros críticos de la dinámica de vuelo son los ángulos de rotación en tres dimensiones alrededor del centro de masa del vehículo, conocidos como cabeceo, balanceo y guiñada (Ver las rotaciones de Tait-Bryan para una explicación).
El control de estas dimensiones puede implicar un estabilizador horizontal (es decir, «una cola»), alerones y otros dispositivos aerodinámicos móviles que controlan la estabilidad angular, es decir, la actitud de vuelo (que a su vez afecta la altitud, el rumbo). Las alas a menudo tienen un ángulo ligeramente hacia arriba, tienen un «ángulo diédrico positivo» que le da una estabilización de rollo inherente.
Eficiencia energéticaeditar
Para crear empuje con el fin de poder ganar altura, y para empujar a través del aire para superar la resistencia asociada con la elevación, todo toma energía. Los diferentes objetos y criaturas capaces de volar varían en la eficiencia de sus músculos, motores y lo bien que esto se traduce en empuje hacia adelante.
La eficiencia de propulsión determina cuánta energía generan los vehículos a partir de una unidad de combustible.
Rangoeditar
El alcance que los artículos de vuelo motorizados pueden lograr está limitado en última instancia por su resistencia, así como por la cantidad de energía que pueden almacenar a bordo y la eficiencia con que pueden convertir esa energía en propulsión.
Para aeronaves propulsadas, la energía útil se determina por su fracción de combustible: qué porcentaje del peso de despegue es combustible, así como la energía específica del combustible utilizado.
Relación potencia-pesoeditar
Todos los animales y dispositivos capaces de volar de forma sostenida necesitan relaciones potencia/peso relativamente altas para poder generar suficiente elevación y / o empuje para lograr el despegue.