Una hélice es un dispositivo que consta de una serie de palas equidistantes, colocadas de forma radial, cuya finalidad es transformar la energía cinética de rotación ,ya sea captándola a través del fluido donde esta se encuentra o transmitirla a este para así brindar tracción o propulsión .

Los perfiles aerodinámicos que componen una hélice están sujetos a las mismas leyes y principios que cualquier otro perfil aerodinámico, por ejemplo un ala. Cada uno de estos perfiles tiene un ángulo de ataque, respecto al viento relativo de la pala que en este caso es cercano al plano de revolución de la hélice, y un paso (igual al ángulo de incidencia). El giro de la hélice, que es como si se hicieran rotar muchas pequeñas alas, acelera el flujo de aire hacia el borde de salida de cada perfil, a la vez que deflecta este hacia atrás (lo mismo que sucede en un ala). Este proceso da lugar a la aceleración hacia atrás de una gran masa de aire, movimiento que provoca una fuerza de reacción que es la que propulsa el avión hacia adelante.Las hélices se fabrican con "torsión", cambiando el ángulo de incidencia de forma decreciente desde el eje (mayor ángulo) hasta la punta (menor ángulo). Al girar a mayor velocidad el extremo que la parte más cercana al eje, es necesario compensar esta diferencia para producir una fuerza de forma uniforme. La solución consiste en disminuir este ángulo desde el centro hacia los extremos, de una forma progresiva, y así la menor velocidad pero mayor ángulo en el centro de la hélice se va igualando con una mayor velocidad pero menor ángulo hacia los extremos. Con esto, se produce una fuerza de forma uniforme a lo largo de toda la hélice, reduciendo las tensiones internas y las vibraciones.

Un punto crítico en el diseño radica en la velocidad con que giran los extremos, porque si está próxima a la del sonido, se produce una gran disminución en el rendimiento. Este hecho pone límites al diámetro y las r.p.m. de las hélices, y es por lo que en algunos aviones se intercala un mecanismo reductor basado en engranajes o poleas, entre el eje de salida del motor y la hélice.La fuerza de propulsión del aeroplano está directamente relacionada con la cantidad de aire que mueve y la velocidad con que lo acelera; depende por tanto del tamaño de la hélice, de su paso, y de su velocidad de giro. Su diseño, forma, número de palas, diámetro, etc... debe ser el adecuado para la gama de velocidades en que puede operar el avión. Una hélice bien diseñada puede dar un rendimiento de hasta 0,9 sobre un ideal de 1.

No obstante, el principio físico por el que una hélice permite dar empuje a un avión, en lo que respecta a velocidad, tiene un límite de prestaciones a partir del cual no puede obtenerse mayor rendimiento, pues no se ha conseguido diseñar motores de hélice que permitan superar los 725 km/h., y esta limitación resulta físicamente insalvable.

Otros parámetros importantes en el diseño de una hélice son el avance geométrico, el avance eficiente y la pérdida de transmisión:

El avance geométrico es la distancia de recorrido que se produce cuando el eje de una hélice gira una vuelta completa. Es equivalente a lo que en un tornillo sería el paso, o distancia entre roscas adyacentes.

El avance eficiente es la distancia a través del aire o agua que la hélice desplaza en una rotación completa.

La pérdida de transmisión es la diferencia entre el avance geométrico y el avance eficiente.

Cuando un propulsor opera con un buen rendimiento, significa que existe un avance eficiente y por tanto las pérdidas de transmisión son muy pequeñas. En condiciones teóricas de diseño, siendo el avance geométrico 100%, si no existiese ningún inconveniente físico el avance eficiente también sería 100%, lo que significa una pérdida de transmisión 0, pero en condiciones de trabajo habitual es muy difícil alcanzar esta cifra. En general, el propulsor eficiente consume en la rotación del eje la mayor parte de la energía que produce; en los propulsores aéreos esta efectividad se acerca al 90%, pero en los motores marinos es menor.

La hélice fue inventada dese hace miles de años, siendo usada en un principio para molinos de viento y de agua, pero fue hasta la revolución industrial con el uso de hélices en los navíos, en 1843 con Marc Isambard Brunel el cual diseñó el Great Britain , de 3618

toneladas que fue el primero de los barcos basados en un nuevo invento que ya prometía en esa época revolucionar la náutica del momento.

Este invento trajo consigo un sinfín de posibilidades debido a los fines en los cuales podía ser usada la hélice. En 1093 las hélices son adaptadas a los prototipos de los hermanos Wright y con este hecho se introduce la hélice en el desarrollo de la aeronáutica.

Para 1916 comenzaron los primeros vuelos en helicóptero por el argentino Raúl Pateras de Pescara. Tras la Primera Guerra Mundial, los ingenieros entendieron, demasiado pronto, que el rendimiento de la hélice tenía su límite y comenzaron a buscar un nuevo método de propulsión para alcanzar mayores velocidades, aun así parecería que las hélices llegaron para quedarse, ya que hoy en día siguen siendo fabricadas, desarrolladas e implementándose en las aeronaves y su uso se extiende para todo tipo de embarcaciones y el desarrollo de energías alternativas . las hélices se clasifican básicamente en hélices de paso fijo y hélices de paso variable

Las hélices de paso fijo. En este tipo, el paso está impuesto por el mejor criterio del diseñador del aeroplano y no es modificable por el piloto. Este paso es único para todos los regímenes de vuelo, lo cual restringe y limita su eficacia; una buena hélice para despegues o ascensos no es tan buena para velocidad de crucero, y viceversa. Una hélice de paso fijo es como una caja de cambios con una única velocidad; compensa su falta de eficacia con una gran sencillez de funcionamiento.En aviones equipados con motores de poca potencia, la hélice suele ser de diámetro reducido, y está fijada directamente como una prolongación del cigüeñal del motor; las r.p.m. de la hélice son las mismas que las del motor. Con motores más potentes, la hélice es más grande para poder absorber la fuerza desarrollada por el motor; en este caso entre la salida del motor y la hélice se suele interponer un mecanismo reductor y las r.p.m. de la hélice difieren de las r.p.m. del motor

En nuestro estudio nos enfocaremos a un tipo de hélices en especial, las hélices de paso variable,   El paso de la hélice es el ángulo que forman sus palas con respecto al vector de movimiento del aire en relación al avión ,en muchos aviones las palas pueden ajustarse desde una posición de resistencia y empuje mínimo, en las que las palas están de canto al frente, a una de máxima resistencia y máximo empuje, en la que estas están prácticamente perpendiculares al eje de avance del avión. Similar a los automóviles , ajustar el paso de la hélice sería como cambiar de marcha en un coche. Entre las hélices de paso variable, también conocidas como de velocidad constante, las hay de dos tipos. Unas cuyo paso se fija en tierra antes de poner en marcha el motor, y otras cuyo ajuste se puede realizar en cualquier fase del vuelo. Existen sistemas de cambio de paso eléctrico y neumático. Los segundos suelen ser mucho más complejos que los primeros.

Especialmente en los grandes aviones de hélice para transporte de pasajeros, por ejemplo el caso del Lockheed L-1049, se ofrecían con ambos tipos de sistemas de paso, y en cualquier momento el operador podía optar por cambiar de un tipo de hélice de paso variable a otro. Hoy en día el paso de la hélice es controlado automáticamente sin que el piloto deba intervenir. Antes, y en los aviones más pequeños, el piloto tenía al menos tres palancas para controlar la potencia: una que gobernaba la potencia del motor, otra la mezcla aire-combustible, y otra, el paso de la hélice. Hoy, muchos aviones disponen de una sola palanca por motor, como en los reactores. Al mover la palanca adelante y atrás, el sistema FADEC del motor, equivalente a la centralita electrónica de un coche, ajusta automáticamente estos tres parámetros para lograr el máximo rendimiento.

El nombre de hélice de velocidad constante viene del hecho de que estas giran siempre a la misma velocidad, y es con el cambio del paso con lo que se modifican los parámetros para hacer un mejor uso de la potencia del motor en cada momento ya que al cambiar su inclinación respecto al eje de rotación, se aprovecha mejor el tipo de vuelo, las condiciones del viento dando mas eficiencia al motor. este paso es como las marchas largas de un automóvil (4ª, 5ª), que son las más adecuadas para viajar por autopista pero no para arrancar o subir una cuesta empinada. Con estas marchas, el motor del automóvil no desarrolla sus máximas r.p.m., pero se obtiene mejor velocidad con un consumo más económico, exactamente lo mismo que un avión con la hélice puesta en paso largo.En algunos manuales, se identifica el paso corto con velocidades pequeñas del avión debido a que las maniobras en las cuales está indicado este paso (despegue, ascenso...) implican baja velocidad en el avión. Por la misma razón se identifica el paso largo con altas velocidades Por ejemplo en un vuelo crucero , es el vuelo en el cual la velocidad permanece estable en ,el avión mantiene esta velocidad en la mayoría del trayecto actuando como un piloto automático, requiriendo poco esfuerzo por parte de la tripulación; en este se cambia la inclinación de la hélice para que el motor trabaje en una gama de rotaciones más

económica , ya que la aeronave , no necesita demasiado empuje como en el momento del despegue cuando el motor esta al máximo. Otro uso de las hélices de paso variable se da cuando deja de funcionar un motor y las hélices dejan de moverse, para reducir la resistencia de estas al viento la inclinación de estas se cambia de tal manera que su posición sea paralela respecto al eje de giro de las hélices. Incluso en algunas aeronaves la dirección del vuelo también puede cambiar debido al cambio en el paso de las hélices.

El primer uso de hélices de paso variable se dio en embarcaciones con Viktor Kaplan un Ingeniero austríaco,especializado en el diseño y construcción de turbinas hidráulicas, el cual fue el inventor de una turbina con hélice de paso variable (turbina Kaplan), en la que se puede modificar la inclinación de las paletas del rodete. El primer intento por implementarlas en la aviación vino en la primera guerra mundial con los bombarderos Zeppelin-Staaken R.V los cuales ajustaban la inclinación de sus hélices antes del vuelo, de forma manual. La aeronave francesa empresa Levasseur muestra una hélice de paso variable en el Salón Aeronáutico de París 1921 . El Dr. Henry Selby Hele-Shaw patentó un accionamiento hidráulico con una hélice de paso variable en 1924 y presentó un documento sobre el tema antes de la Royal Aeronautical Society en 1928, aunque fue recibida con escepticismo a su utilidad. La primera práctica de la hélice de paso variable para los aviones se introdujo en 1932. El tipo más común de la hélice de paso variable se acciona hidráulicamente, este fue desarrollado originalmente por Frank W. Caldwell de la Hamilton Standard División de la Compañía de Aviones Unidos. Este diseño dio lugar a la adjudicación del Trofeo Collier de 1933. De Havilland posteriormente compró los derechos para producir hélices Hamilton en el Reino Unido, mientras que la compañía británica Rotol se formó para producir sus propios diseños. La compañía francesa de Pierre Levasseur y los EE.UU. Smith Engineering Co. también ha desarrollado hélices de paso variable. Smith propellers were used by Wiley Post on some of his flights. Hélices de Smith fueron utilizados por Wiley Post en algunos de sus vuelos. Como los aviones experimentales y ultraligeros se han vuelto más sofisticados, se ha vuelto más común para estos aviones ligeros la adaptación del paso variable en sus hélices.

Definición del paso de una hélice.

Definimos el paso de una hélice como la distancia recorrida por la hélice en un giro completo, podemos imaginar el paso como el avance de un tornillo en una vuelta completa, en algunas ocasiones también es nombrado como avance geométrico.

Para entender mejor este concepto imaginemos una hélice rotando y avanzando,

la figura que describe este movimiento es la curva que encontramos inscrita en el cilindro de la imagen superior; después de dar un giro entero podemos proyectar un triangulo rectángulo sobre este cilindro. Al extender este triangulo podemos observar que la hipotenusa de este es la distancia recorrida por una pala de la hélice, la cual es igual a 2 R,

donde R es el radio de la pala. El ángulo entre la base del triangulo y la hipotenusa corresponde con la inclinación de la pala, en otras palabras es el ángulo formado entre el plano de rotación y la cuerda de nuestro perfil alar; el paso, es obtenido mediante la identidad sen(), dando como resultado la siguiente formula

Paso P=2Rsen()

EL ángulo puede obtenerse observando que la tangente del triangulo corresponde con el paso P (si es que tenemos este) dividido entre la hipotenusa 2R, entonces el arco tangente de este cociente, debe darnos el ángulo.

=Arctan(P/2R)

El paso nos servirá para determinar un dato muy importante, que es el factor de carga, este factor de carga , este número nos indicará cual es el empuje que puede crear nuestra hélice, de esta manera, con este factor, podemos cambiar de hélice a nuestro parecer, siempre y cuando respetemos el factor de carga. Así podemos obtener un empuje vertical mayor al cambiar adecuadamente nuestra hélice, o cambiarla de tal modo que esta soporte más peso.

El factor de carga se calcula de la siguiente manera:

Factor de Carga = diámetro x 2 + paso

Si disminuimos el factor de carga tendríamos un motor que trabaja de la misma manera, pero con diferente hélice, que soporta menos peso, pero con el ganamos velocidad, si por el contrario obtenemos con nuestra hélice un factor de carga mayor al de nuestra hélice anterior tendríamos una hélice, que junto con el motor soportarían mas peso, pero a una velocidad mayor.

Pasómetro : Es un instrumento usado para medir el paso neto de una hélice

Se procedió a la construcción de un pasómetro , el cual se uso para medir el paso distintas hélices: El pasómetro fue construido con los siguientes materiales:

Primer método para conseguir el paso, pasómetro (material)

Una tabla de 21x9cm, 1 cm de espesor Una placa semicircular graduada Una palanca de aluminio, en forma de escuadra. Tornillos Hoja milimétrica Transportador Tornillos

Segundo método para medir el paso(material)

Apuntador laser Flexómetro Escuadra Prensa

Para hacer el primer pasómetro se atornillo el transportador a la tabla, en uno de los lados de 9cm de longitud.

Después atornillamos la palanca de aluminio en el centro de este transportador.

Pegamos el papel milimétrico en la superficie de la tabla.

Primer método de medición ,PASÓMETRO.

Se fijó la hélice con una prensa en el borde de una mesa de trabajo.

Se colocó una pantalla frente a la mesa, de forma tal que esta pantalla estuviera a 93.5 cm de la hélice

Con el pasómetro colocamos la hélice sobre el instrumento y se mide el radio a través de la superficie con papel milimétrico, de tal forma que el radio es tomado desde el lado que tiene el transportador hasta el centro de la hélice.

Continuamos midiendo el ángulo de inclinación en ese punto de la pala, cuyo radio ha sido medido, de forma tal que la superficie de la hélice de la pala se junte con el brazo de la palanca de aluminio, esta apuntara los grados que tiene de inclinación la hélice , en ese punto.

Segundo método de medición.

Seleccionamos diferentes puntos a lo largo del radio de la pala, donde queremos medir el paso, en el caso de una hélice variable, también es necesario seleccionar los ángulos en los cuales deseamos tomar el paso.

A continuación se fija el apuntador laser en el punto seleccionado, de tal manera que el haz del laser incida en la pantalla, a continuación marcamos el punto donde el laser incidió. Repetimos el procedimiento en cada uno de los puntos y ángulos seleccionados, en caso de que la hélice sea variable.

Colocamos el apuntador laser ala misma altura de la hélice, hacemos incidir un haz en la pantalla de tal forma que el haz sea totalmente perpendicular a la pantalla, marcamos el punto donde el haz incide en la pantalla; llamaremos a la altura de este punto, altura cero.

Continuamos midiendo la diferencia de alturas entre cada una de las marcas con la altura cuero, y tomamos datos.

Con el primer método para medir el paso el ángulo es tomado directamente del instrumento construido.