IntroduccinEl tema de diseo de aeronaves se plantea una y otra vez, cada vez que aparecen nuevas y ms modernas aeronaves, replanteando las posibilidades y capacidades de estas, aunque lamentablemente no se cuente con un diseo que conglomere todas las virtudes de las aeronaves hay muchas que haciendo nfasis en algunas logran un mayor rendimiento en ciertas caractersticas a cambio del sacrificio de otras, el motivo de esta metodologa es mostrar un poco de las opciones y capacidades de algunos de sus componentes.

Marco tericoAerodinmica es la parte de la mecnica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que estn sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinmica hay que aadir el valor de su aportacin a la aeronutica. De acuerdo con el nmero de Mach o velocidad relativa de un mvil con respecto al aire, la aerodinmica se divide en subsnica y supersnica segn que dicho nmero sea inferior o superior a la unidad.

Aeronave subsnica: Es una aeronave, como puede ser un avin, helicptero, planeador o dirigible, que vuela a una velocidad inferior a la velocidad del sonido.

Aeronave supersnica: Es una aeronave, que puede volar a una velocidad igual o mayor a la del sonido .Una aeronave supersnica puede volar a una velocidad subsnica pero tambin es capaz de pasar la barrera del sonido y desplazarse ms rpido que el sonido.

Hay ciertas leyes de la aerodinmica, aplicables a cualquier objeto movindose a travs del aire, que explican el vuelo de objetos ms pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a travs del aire, como que este objeto est inmvil y es el aire el que se mueve (de esta ultima forma se prueban en los tneles de viento prototipos de aviones).

La aerodinmica hace frente a las fuerzas que actan sobre los objetos en movimiento a travs del aire y el movimiento del aire en s. Hay cuatro fuerzas que actan sobre una aeronave, incluidos los helicpteros. Peso es la fuerza de la gravedad. Ascensor es la fuerza de aire sobre las palas del rotor del helicptero, luchando contra la fuerza de gravedad. El empuje es la fuerza que mueve la aeronave a travs del aire, creado por las palas del rotor principal. Arrastre es la fuerza de resistencia del aire contra la aeronave que se mueve a travs del aire.

ResistenciaLaresistenciaes la fuerza que se opone al movimiento del aeronave en el aire. Laresistencia totalque se opone al movimiento de una aeronave es la suma de: Laresistencia del perfil, laresistencia induciday laresistencia parsita. Laresistencia totales primariamente funcin de la velocidad. La velocidad que tericamente producela resistencia totalms baja determina la velocidad de mejor rango de ascenso, el mnimo rango de descenso para la autorrotacin y la mxima velocidad de mejor autonoma.

La siguiente figura nos muestra un cuadro de las diferentes resistencias en funcin de la velocidad.Laresistencia al avancees la provocada por el perfil con su friccin con el aire. Esta no cambia significativamente con la variacin del ngulo de ataque, pero se incrementa moderadamente con el aumento de la velocidad.Laresistencia inducidaes la resistencia producida como resultado de la produccin de sustentacin. Altos ngulos de ataque, que producen ms sustentacin, producen altaresistencia inducida. En las alas rotativas, al aumentar la velocidad de translacin del helicptero, la resistencia inducidadisminuye. La resistencia inducida es una de las fuerzas aerodinmicas opuestas a la sustentacin.Laresistencia parsitaes la producida por todos aquellos componentes no generadores de sustentacin. La curva "A" en el diagrama nos muestra la resistencia parsita, que es muy baja a bajas velocidades y aumenta con la velocidad. La curva "B" nos muestra laresistencia inducidaque decrece con la velocidad. En estacionario esta resistencia es muy alta. La curva "C" es la resistencia del perfil o de forma aumentando muy poco con el aumento de la velocidad. La curva "D" muestra laresistencia totalque es la suma de las otra tres. Ahora si usted puede identificar el punto ms bajo de esta curva, y lo transporta sobre el eje de las velocidades, obtendr una velocidad, la cual es: la de mayor autonoma, la de mejor rango de ascenso y la de mnimo rango de descenso en autorrotacin.

El teorema de BernoulliEl teorema de Bernoulli describe el comportamiento de un flujo laminar movindose a lo largo de una corriente de agua. Expresa que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de circulacin por un conducto cerrado, la energa que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.La energa de fluido en cualquier momento consta de 3 componentes:1.-Cintica: Es la energa debida a la velocidad que posea el fluido.2.-Potencial gravitacional: Es la energa debido a la altitud que un fluido posea.3.-Energia de flujo: Es la energa que un fluido contiene debido a la presin que posee.

La siguiente ecuacin conocida como ecuacin de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli consta de los siguientes trminos

Ecuacin 1Donde:V= A la velocidad del fluido en la seccin consideradap= A la densidad del fluido P= A la presin a lo largo de la lnea de corriente g= a la aceleracin gravitatoria z= a la altura en la direccin de la gravedad desde una cota de referencia.

Las condiciones que se deben tener en cuenta para poder aplicar esta ecuacin son las siguientes:- La viscosidad (friccin interna) debe ser igual a 0, es decirse considera que la lnea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona no viscosa del fluido - La caudal constante - El flujo incomprensible, de donde p es constante.- La ecuacin se aplica a lo largo de una lnea de corriente o en un flojo irrotacional Sustentacin de aviones:El efecto Bernoulli es tambin en parte el origen de la sustentacin de los aviones. Gracias a la forma y orientacin de los perfiles aerodinmicos, el ala es curva en su cara superior y esta angulada respecto a las lneas de corriente incidentes. Por ello, las lneas de corriente arriba del ala estn ms juntas que abajo, por lo que la velocidad del aire es mayor y la presin es menor arriba del ala; al ser mayor la presin abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia arriba llamada sustentacin.

Efecto VenturiEl efecto Venturi se refiere a la disminucin de la presin que ejerce un lquido al hacerlo fluir por una seccin mas angosta en un conducto, (tubera).

h = diferencia entre las alturas de los tubos verticales, los cuales se unen en forma de U y se llenan parcialmente con agua. Dicha diferencia de alturas se mide en cm y equivale a la diferencia de presin de agua. Dicho dispositivo es similar a un manmetro. La presin en la zona 1 es mayor a la presin de la zona 2 debido a que la velocidad del agua en 1es menor que en 2.El fsico italiano Giovanni Ventura fue quien estudio este fenmeno. De acuerdo con las leyes de la dinmica de los fluidos, la velocidad de un fluido aumenta si la seccin transversal del conducto por donde esta fluye disminuye. De esta manera, se cumple la ley de conservacin de la masa.

Pero la presin debe disminuir en dicho caso, para cumplir con la conservacin de la energa. Si el fluido es incompresible se cumple que A1.v1= A2 . v2 (razn de flujo volumtrico) O en forma ms sencilla . A.v = constante. La velocidad debe aumentar al estrecharse el rea de un tubo horizontal. Si no acta ninguna otra fuerza sobre el fluido, la presin en 1 debe ser mayor que en 2, por lo que en la direccin en que aumenta la velocidad acta una fuerza que proporciona dicha aceleracin.

Tubo de VenturiDefinicin: el tubo Venturi es un dispositivo que origina una prdida de presin al pasar por l un fluido. En esencia, consta de una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos cnicos. La presin vara en la proximidad de la seccin estrecha; as, al colocar un manmetro instrumento registrador en la garganta se mide la cada de presin y hace posible calcular el caudal instantneo.Definicin segn Giovanni Battista VenturiEl creador de este tubo Giovanni Battista Venturi lo defini como un dispositivo para medir el gasto del fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presin que existe entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable de mnima seccin del tubo, en donde su parte ancha final acta como difusor.

Componentes de un avin La configuracin aerodinmica de los aviones se caracteriza por la cantidad y la relacin recproca de la posicin de sus superficies de contacto. La configuracin aerodinmica ms utilizada con respecto al ala y al estabilizador horizontal es la configuracin normal (clsica) la cual ubica al estabilizador horizontal atrs del ala. La gran mayora de los aviones

estn diseados de acuerdo a esta configuracin alrededor de todo el mundo.

Las ventajas de la configuracin normal son: - El ala opera en flujo no perturbado.- La longitud de la nariz del fuselaje es pequea lo cual reduce el rea y por lo tanto la masa del estabilizador vertical (la nariz del fuselaje trae consigo un momento de guiada desestabilizante respecto a un eje vertical del avin).

Las desventajas de la configuracin normal son: - Operacin del estabilizador horizontal en flujo oblicuo y perturbado por el ala. Esto reduce considerablemente su eficiencia y conlleva a utilizar un estabilizador horizontal de mayor tamao y por lo tanto de mayor peso. El arreglo de un estabilizador horizontal lejos de una zona de flujo perturbado (por ejemplo, posicionndolo en el estabilizador vertical) no resuelve el problema del todo, porque tanto la masa del estabilizador vertical y del fuselaje se incrementa. - En algunos casos el estabilizador horizontal debe producir levantamiento negativo para proveer la estabilidad de vuelo, lo cual reduce el levantamiento total del avin (es necesario sustraer la fuerza del estabilizador horizontal del valor del levantamiento del ala) y se debe aplicar un incremento del rea del ala, y por lo tanto de peso, para la neutralizacin de este fenmeno.

Hay dos tipos de configuracin normal (clsica), la estable y la inestable. La diferencia de la configuracin estable es el arreglo del centro de presiones (CP) del ala atrs del centro de masa (CM) del avin. La gran mayora de aviones se disean en concordancia con una configuracin aerodinmica estable. Hay un nmero significativo de aspectos estructurales, a partir de los cuales se puede clasificar a los aviones. De acuerdo al nmero de alas los aviones estn divididos en monoplanos y biplanos. Como una regla, los aviones modernos se disean de acuerdo con la configuracin monoplano. El monoplano tiene un ala, la cual generalmente puede consistir de dos semialas salientes: izquierda y derecha; adems tiene menor resistencia al avance pero mayor peso en comparacin con el biplano. De acuerdo a la colocacin del ala del monoplano respecto al fuselaje, se distinguen tres tipos de aviones: monoplano de ala baja, monoplano de ala media y monoplano de ala alta. El monoplano de ala alta tiene la ventaja de tener el valor ms bajo de resistencia al avance por interferencia.

Alas El ala genera el levantamiento aerodinmico, adems, si tiene ngulo diedro tambin proporciona estabilidad lateral, y con la ayuda de los alerones, control lateral.

Forma de las alas

Las alas pueden tener las formas ms variadas: estrechndose hacia los extremos (tapered) o recta (straight), en la parte del borde de ataque (leading) o del borde de salida (trailing), o cualquier combinacin de estas; en forma de delta, en flecha, etc. Si la velocidad es el factor principal, un ala "tapered" es ms eficiente que una rectangular (straight) porque produce menos resistencia; pero un ala "tapered" tiene peores caractersticas en la prdida salvo que tengatorsin(ngulo de incidencia decreciente hacia el borde del ala).

Segn la colocacin de las alas en el fuselaje, los aviones son de plano alto, plano medio, o plano bajo. Asimismo, segn el nmero de pares de alas, los aviones son monoplanos, biplanos, triplanos, etc.Tambin se distinguen alas de geometra fija (la gran mayora), de geometra variable (que pueden variar su flecha), y alas de incidencia variable (que pueden variar su ngulo deincidencia). Estos dos ltimos tipos son de aplicacin casi exclusiva en aviones militares.Las alas pueden estar fijadas al fuselaje mediante montantes y voladizos, con ayuda de cables, o estar fijadas sin montantes externos ni ayuda de cables (alas cantilever, tambin llamadas "ala en voladizo" o "ala en mnsula").

Algunos requerimientos para el diseo del ala de acuerdo a su propsito son: - Generar la menor resistencia al avance posible. - Mayor incremento del coeficiente de levantamiento con la aplicacin de dispositivos hper sustentadores - Proveer de caractersticas de estabilidad y control en todas las fases de vuelo.- El cambio en las caractersticas aerodinmicas y de control y en ngulos de ataque sper crticos deben ser graduales, suaves y no abruptos

Geomtricamente, el ala se describe tanto con parmetros dimensionales como a dimensionales. La cuerda C , la superficie alar S, y la envergadura b son parmetros dimensionales. La cuerda de raz Cr y la cuerda de punta Cp definen la geometra del ala. La superficie alar es el rea de planta o la proyeccin del ala en un plano base xy en un sistema de ejes cuerpo a un ngulo de ataque del fuselaje de cero. La envergadura es la distancia entre las puntas del ala. Hay dos parmetros dimensionales relativos del ala el alargamiento y la conicidad. El alargamiento del ala se determina como la relacin de la envergadura al cuadrado entre el rea.

y la conicidad del ala es la relacin de la longitud de la cuerda de punta con la longitud de la cuerda de raz.

El concepto de la cuerda aerodinmica media (CAM) es ampliamente usado en el clculo aerodinmico del avin y es una cuerda equivalente a un ala rectangular, cuya rea, provoca la misma fuerza y momento aerodinmicos que un ala real de cualquier forma.

La forma del ala tambin influye en gran medida en el desempeo aerodinmico. El ala rectangular fue utilizada en el principio del desarrollo de la aviacin y tiene como principal ventaja la simplicidad de manufactura y que el desplome comienza primero en una seccin de la raz del ala, cualidad aerodinmica deseable por motivos de seguridad. El ala trapezoidal se asemeja al ala elptica de acuerdo a las caractersticas aerodinmicas, y a la vez, su manufactura es simple. El ala elptica presenta la mejor distribucin de fuerzas de sustentacin.

Al considerar el ala en el plano yz, es decir, si se mira de frente a la aeronave, se observan los monoplanos ya sea con ala baja, ala media o ala alta. En algunos casos, el plano de esas alas est separado del plano xy en un sistema de ejes cuerpo a un ngulo moderado. Este ngulo es llamado diedro cuando el ala forma un ngulo como el de la (ala hacia arriba), y diedro negativo o anedro en sentido inverso; el ngulo diedro se designa como . El ngulo diedro positivo aumenta la estabilidad del avin en un plano lateral, mientras que el ngulo diedro negativo la reduce. El valor de es positivo para aviones no maniobrables y alcanza hasta 7. Para aviones de alta velocidad, ste es negativo tambin hasta 7 aproximadamente.

Desde una vista lateral se observa el perfil aerodinmico del ala, y se dividen en tres clases de acuerdo a su relacin de espesor: - Gruesos c >12%- Medios 12% >c >6%- Delgadosc