¿Cómo funciona el ala de un avión?

El avión puede ser o no el invento más transformador del siglo XX; Se pueden argumentar claramente a favor de todo tipo de otras innovaciones, incluidos los antibióticos, el procesador de computadora y el advenimiento de la tecnología inalámbrica de comunicaciones globales. Sin embargo, pocos de estos inventos, si los hay, llevan tanto la grandeza visual como el espíritu humano innato de atrevimiento y exploración como lo hace el avión.

La mayor parte de un avión típico es en gran medida indistinguible de otros vehículos de pasajeros a gran escala; consta de un compartimento en forma de tubo en el que se sientan los pasajeros, los responsables y otros elementos transportados. Además, la mayoría de los aviones tienen ruedas; la mayoría de los observadores no los ubicarían como una característica principal, pero la mayoría de los aviones no podrían despegar o aterrizar sin ellos.

Sin embargo, es evidente que la principal característica física que hace que un avión sea inmediatamente identificable son sus alas. Hasta cierto punto, las estructuras de soporte sobre las que también leerá se suman a la apariencia característica de un avión, pero el ala es de alguna manera la más atractiva; a pesar de su apariencia engañosamente básica, el ala de un avión es una auténtica maravilla de la ingeniería, además de indispensable para la vida en la civilización moderna.

El control del avión no solo requiereelevar(mucho más sobre eso más adelante), sino también equipos de dirección y estabilización verticales y horizontales. Lo siguiente se aplica a un avión de pasajeros estándar; Claramente, no existe ningún diseño de un avión, o para el caso de un avión de pasajeros. Piense en la física, no en los ingredientes específicos.

El tubo, o cuerpo, de un avión se llamafuselaje. Las alas están unidas al fuselaje en un punto aproximadamente a la mitad de su longitud. Las alas mismas tienen dos juegos de componentes móviles en la parte posterior; el conjunto exterior se llamaalerones, mientras que los más largos, los internos simplemente se llamansolapas. Estos cambian el balanceo y el arrastre de la aeronave respectivamente, lo que ayuda a dirigir y ralentizar el avión. Las puntas de las alas a menudo tienen pequeños elementos móviles.aletas, que disminuyen la resistencia.

Las partes de la cola de un avión incluyenhorizontalyestabilizadores verticales,el primero imitando alas diminutas en la orientación y presumiendotrampillas elevadoras, y este último incluye untimón,el medio principal del avión para alterar el rumbo horizontal. Un avión que solo tuviera motor y alas, pero sin timón, sería como un coche potente sin volante, y no se necesita un físico o un piloto de carreras profesional para detectar los problemas aquí.

​Orville y Wilbur Wrightse les atribuye haber realizado el primer vuelo exitoso, en 1903 en Carolina del Norte, EE. UU. Como tal vez supusiste, no eran meros temerarios que armaron un artilugio chapucero de un motor y algunas tablas livianas y lo hicieron, uno que resultó funcionar en su favor. Por el contrario, eran investigadores meticulosos y entendían que el ala serviría como el aspecto crítico de cualquier mecanismo de vuelo de un avión exitoso. ("Avión" es un término pintoresco pero adorable en el mundo de la aviación).

Los Wright tenían acceso a los datos del túnel de viento de Alemania, y lo usaron en la formulación de alas para los planeadores que precedieron a su famosa versión motorizada de 1903 al instante. Experimentaron con diferentes formas de alas y descubrieron que aquellas con proporciones de envergadura a alas dentro de un rango cercano, y cerca de 6.4 a 1, parecían ideales; que este es un casi perfectorelación de aspectoha sido confirmado por métodos de ingeniería modernos.

Un ala es una especie de perfil aerodinámico, que es la sección transversal de cualquier cosa de interés para los ingenieros en el ámbito de la dinámica de fluidos, como velas, hélices y turbinas. Esta representación es útil para resolver problemas porque ofrece la mejor representación visual de cómo se eleva un avión y cómo se puede modular a través de diferentes formas de alas y otras características.

Quizás en la escuela, o simplemente viendo las noticias, has visto o escuchado el término "levantar" en referencia al vuelo. ¿Qué es la elevación en física? ¿Es la elevación una cantidad medible o se corresponde con una?

La sustentación es, de hecho, una fuerza que, por definición, se opone a lapeso. El peso, a su vez, es la fuerza producida como resultado de los efectos de la gravedad sobre los objetos conmasa. Lograr la sustentación es esencialmente contrarrestar la gravedad, y la gravedad "engaña" en este tira y afloja vertical, ¡porque nunca descansa!

El ascensor es uncantidad vectorial, como todas las fuerzas, y por lo tanto tiene un componente escalar (su número o magnitud) y una dirección específica (generalmente incluye dos dimensiones, etiquetadasXyy, en problemas de física de nivel introductorio). El vector que se dibuja actúa a través del centro de presión del objeto y se dirige perpendicular a la dirección del flujo del fluido.

El ascensor requiere unlíquido(un gas o una mezcla de gases, como el aire, o un líquido, como el aceite) como medio. Así, ni un objeto sólido ni un vacío sirven como un ambiente de vuelo acogedor; el primero de ellos es intuitivamente obvio, pero si alguna vez se preguntó si podría dirigir un avión en el espacio exterior manipulando sus alas o cola, la respuesta es no; no hay "cosas" físicas contra las que puedan empujar las partes del avión.

Todo el mundo ha observado los remolinos y las corrientes de un río o arroyo y ha reflexionado sobre la naturaleza del flujo de un fluido. ¿Qué sucede cuando un río o arroyo de repente se vuelve mucho más estrecho, sin cambios en la profundidad? Como resultado, el agua del río fluye mucho más rápido. Las velocidades más altas significan más energía cinética, y los aumentos en la energía cinética dependen de alguna entrada de energía en el sistema en forma de trabajo.

Con respecto a la dinámica de fluidos, el punto clave es que la presión P caerá en fluidos de densidad que se mueven rápidamenteρ, incluido el aire. (La densidad es la masa dividida por el volumen, om / V.) Las diversas relaciones entre la energía cinética de un fluido (1/2) ρv², su energía potencial ρgh (dondehes cualquier cambio de altura sobre el que existe una diferencia de presión de fluido) y la presión totalPAGes capturado por la ecuación que hizo famosa el científico suizo del siglo XVIIIDavid Bernoulli. La forma general está escrita:

Aquígramoes la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, que tiene el valor 9,8 m / s². Esta ecuación se aplica a innumerables situaciones que involucran el flujo de agua y gases y el movimiento de objetos en fluidos, como aviones volando por el aire del cielo.

Al considerar el ala del avión, el último término de la ecuación de Bernoulli se puede descartar porque el ala se trata como si estuviera a una altura uniforme:

También debe tener en cuenta la ecuación de continuidad, que relaciona la presión con el área transversal del ala:

La combinación de estas ecuaciones muestra cómo se produce la fuerza de elevación. Críticamente, la diferencia de presión entre la parte superior del ala y la parte inferior es el resultado de las diferentes formas de los lados respectivos del perfil aerodinámico. Se permite que el aire sobre el ala se mueva más rápido que el aire debajo, lo que resulta en una especie de "presión de succión" desde arriba que se opone al peso del avión.

El movimiento hacia adelante del avión en sí mismo, por supuesto, es lo que crea el movimiento del aire; La velocidad horizontal del avión es creada por el empuje de sus motores a reacción contra el aire, y la fuerza opuesta resultante ejercida contra la nave en esta dirección se llamaarrastrar​.

• Por lo tanto, un resumen de las fuerzas hacia arriba, hacia abajo, hacia adelante y hacia atrás en un avión y sus alas vistas desde un lado sonelevar​, ​peso​, ​empujeyarrastrar​.