Cómo calcular la fuerza de elevación

Ya sea que esté estudiando el vuelo de los pájaros que baten sus alas para elevarse hacia el cielo o el ascenso del gas desde una chimenea hacia la atmósfera, puede estudiar cómo los objetos se elevan contra la fuerza de la gravedad para aprender mejor acerca de estos métodos de "vuelo."

Para los equipos de aeronaves y los drones que vuelan por el aire, el vuelo también depende de superar la gravedad. como explicación de la fuerza del aire contra estos objetos desde que los hermanos Wright inventaron el avión. El cálculo de la fuerza de elevación puede decirle cuánta fuerza se necesita para enviar estos objetos por el aire.

Los objetos que vuelan por el aire tienen que lidiar con la fuerza del aire ejercida contra ellos mismos. Cuando el objeto se mueve hacia adelante a través del aire, la fuerza de arrastre es la parte de la fuerza que actúa en paralelo al flujo del movimiento. La elevación, por el contrario, es la parte de la fuerza que es perpendicular al flujo de aire u otro gas o fluido contra el objeto.

Los aviones artificiales, como cohetes o aviones, utilizan la ecuación de fuerza de sustentación de

para fuerza de elevaciónL, coeficiente de elevaciónC_L, densidad del material alrededor del objetoρ("rho"), velocidadvy área del alaA. El coeficiente de sustentación suma los efectos de varias fuerzas sobre el objeto en el aire, incluida la viscosidad y compresibilidad del aire y el ángulo del cuerpo con respecto al flujo, lo que hace que la ecuación para calcular la sustentación sea mucho más simple.

Los científicos y los ingenieros suelen determinarC_Lexperimentalmente midiendo los valores de la fuerza de sustentación y comparándolos con la velocidad del objeto, el área de la envergadura y la densidad del material líquido o gaseoso en el que se sumerge el objeto. Hacer una gráfica de elevación vs. la cantidad de (ρ v² A) / 2le daría una línea o un conjunto de puntos de datos que se pueden multiplicar por elC_Lpara determinar la fuerza de elevación en la ecuación de la fuerza de elevación.

Los métodos computacionales más avanzados pueden determinar valores más precisos del coeficiente de sustentación. Sin embargo, existen formas teóricas de determinar el coeficiente de sustentación. Para comprender esta parte de la ecuación de la fuerza de sustentación, puede observar la derivación de la fórmula de la fuerza de sustentación y cómo se calcula el coeficiente de fuerza de sustentación como resultado de estas fuerzas aerotransportadas sobre un objeto que experimenta sustentación.

Para tener en cuenta la gran cantidad de fuerzas que afectan a un objeto que vuela por el aire, puede definir el coeficiente de sustentaciónC​_L como

para fuerza de elevaciónL, área de superficieSy presión dinámica de fluidosq, generalmente medido en pascales. Puede convertir la presión dinámica del fluido en su fórmula

​Llegar​

en el cualρes la densidad del fluido ytues la velocidad de flujo. A partir de esta ecuación, puede reorganizarla para derivar la ecuación de la fuerza de elevación.​

Esta presión dinámica del fluido y el área de la superficie en contacto con el aire o el fluido también dependen en gran medida de la geometría del objeto en el aire. Para un objeto que puede aproximarse a un cilindro, como un avión, la fuerza debe extenderse hacia afuera desde el cuerpo del objeto. El área de la superficie, entonces, sería la circunferencia del cuerpo cilíndrico multiplicada por la altura o la longitud del objeto, lo que le daS = C x h​.

También puede interpretar el área de la superficie como un producto del espesor, una cantidad de área dividida por la longitud,t, de modo que, al multiplicar el grosor por la altura o la longitud del objeto, se obtiene el área de superficie. En este casoS = t x h​.

La relación entre estas variables de superficie le permite graficar o medir experimentalmente en qué se diferencian para estudiar el efecto de la fuerza alrededor de la circunferencia del cilindro o la fuerza que depende del espesor de la material. Existen otros métodos para medir y estudiar objetos en el aire utilizando el coeficiente de sustentación.

Hay muchas otras formas de aproximar el coeficiente de la curva de sustentación. Debido a que el coeficiente de sustentación debe comprender muchos factores diferentes que afectan el vuelo de la aeronave, también puede usarlo para medir el ángulo que podría tomar un avión con respecto al suelo. Este ángulo se conoce como ángulo de ataque (AOA), representado porα("alfa") y puede volver a escribir el coeficiente de elevación

Con esta medida deC_Lque tiene una dependencia adicional debido a AOA α, puede reescribir la ecuación como

y, después de determinar experimentalmente la fuerza de sustentación para un único AOA específico, puede calcular el coeficiente de sustentación general C_L. Luego, puede intentar medir diferentes AOA para determinar qué valores deC_L0yCL​_​α​ encajaría mejor.Esta ecuación asume que el coeficiente de elevación cambia linealmente con el AOA, por lo que puede haber algunas circunstancias en las que una ecuación de coeficiente más precisa se ajuste mejor.

Para comprender mejor el AOA sobre la fuerza de sustentación y el coeficiente de sustentación, los ingenieros han estudiado cómo el AOA cambia la forma en que vuela un avión. Si grafica los coeficientes de sustentación contra el AOA, puede calcular el valor positivo de la pendiente, que se conoce como pendiente bidimensional de la curva de sustentación. La investigación ha demostrado, sin embargo, que después de cierto valor de AOA, elC​_​L​ el valor disminuye.

Este AOA máximo se conoce como punto de pérdida, con la correspondiente velocidad de pérdida y máximaC_Lvalor. La investigación sobre el grosor y la curvatura del material aeronáutico ha mostrado formas de calcular estos valores cuando se conoce la geometría y el material del objeto en el aire.

La NASA tiene un subprograma en línea para mostrar cómo la ecuación de sustentación afecta el vuelo de la aeronave. Esto se basa en una calculadora de coeficiente de sustentación, y puede usarla para establecer diferentes valores de velocidad, ángulo que el aire El objeto toma con respecto al suelo y la superficie que tienen los objetos contra el material que rodea la aeronave. El subprograma incluso le permite usar aviones históricos para mostrar cómo han evolucionado los diseños de ingeniería desde el siglo XX.

La simulación no tiene en cuenta el cambio de peso del objeto en el aire debido a cambios en el área del ala. Para determinar qué efecto tendría, puede tomar medidas de diferentes valores de superficie áreas tendrían en la fuerza de elevación y calcular un cambio en la fuerza de elevación que estas áreas de superficie causa. También puede calcular la fuerza gravitacional que tendrían diferentes masas usando W = mg para el peso debido a la gravedad W, la masa my la constante de aceleración gravitacional g (9.8 m / s²).

También puede utilizar una "sonda" que puede dirigir alrededor de los objetos en el aire para mostrar la velocidad en varios puntos a lo largo de la simulación. La simulación también se limita a que la aeronave se aproxima utilizando una placa plana como cálculo rápido y sucio. Puede usar esto para aproximar soluciones a la ecuación de la fuerza de elevación.