¿Cómo gira automáticamente un helicóptero? La fuerza del aire empujando todas las aspas se igualaría. ¿no es así?

Le falta un detalle esencial: la incidencia de las palas del rotor del helicóptero se puede cambiar. Esto se llama tono colectivo .

Cuando falla la energía, el piloto cambia el ángulo de las palas de manera que se mantiene la dirección de giro, pero ahora el rotor extrae energía del flujo de aire ascendente en lugar de empujar el aire hacia abajo. Tenga en cuenta que las palas seguirán creando sustentación, pero debido al hecho de que el flujo hacia ellas tiene un componente ascendente, la fuerza de sustentación en las paletas se inclina hacia adelante de manera que la componente horizontal mantiene las paletas girando. Ahora el helicóptero vuela como un planeador, cambiando continuamente la altitud por la velocidad de avance y del rotor. Esto es lo mismo para todas las aspas, y cada aspa empujará el rotor hacia adelante.

Cerca del suelo, el piloto tirará ahora de la palanca de paso colectivo y aumentará momentáneamente la sustentación de las palas. Esta es una maniobra dinámica y necesita estar bien coordinada. Ahora la fuerza de sustentación aumenta, pero el vector de sustentación en cada pala apuntará ligeramente hacia atrás, por lo que el rotor gira hacia abajo. Ahora el piloto está intercambiando la energía de rotación almacenada del rotor por una mayor sustentación para reducir la velocidad de descenso y llegar a un aterrizaje suave. Esto requiere una cantidad mínima de inercia del rotor para tener suficiente energía disponible para la desaceleración.

Mantendré mi respuesta breve y dulce, porque la mejor respuesta que puede obtener es ver el video Smarter Every Day sobre cómo funciona la rotación automática . Son 9 minutos, con excelentes imágenes que ayudan a explicar el proceso, y mucho mejor de lo que podría ser cualquier respuesta de texto.

Para aquellos que no quieren golpear el enlace, uno de los principales factores en la autorrotación es la velocidad lineal del aire a través de las aspas. El aire en realidad viaja más rápido a través de las partes de la pala más alejadas del centro. Los pilotos de helicópteros pueden aprovechar este truco para generar energía mientras caen. Las partes internas pueden ser empujadas por el aire (porque las partes internas de la cuchilla se mueven lentamente), mientras que las partes externas en realidad empujan el aire como si el motor todavía estuviera funcionando.

Un piloto realmente ajustará el paso de las palas para equilibrar estos efectos para descender lentamente mientras mantiene un poco de energía extra para usar cerca del final para aterrizar de manera segura.

Es una buena pregunta. Lo que pasa con la autorrotación es que no funciona muy bien cuando se considera desde el punto de vista del vuelo vertical: no es realmente un molino de viento. El mejor ejemplo para explicar el principio de autorrotación es el autogiro: siempre vuela en autorrotación, pero nunca verticalmente. O al menos, nunca con mucho éxito por mucho tiempo. De Principios de Aerodinámica de Helicópteros por J. Gordon Leishman:

La imagen ilustra un tema bastante importante: identifica las fuerzas de sustentación y arrastre en el vuelo hacia adelante. Si el autogiro o el helicóptero descendieran verticalmente, el rotor crearía resistencia únicamente, ya que la resistencia se define como la fuerza en la dirección de la velocidad del aire. Mayor arrastre, como un paracaídas. El rotor actuaría como un disco fijo parcialmente permeable. Eso no funcionaría muy bien para detener la caída del autogiro o del helicóptero.

Es mucho más efectivo si el rotor se comporta como un ala: el vuelo hacia adelante crea una fuerza de sustentación y la resistencia se supera mediante una hélice o mediante la absorción de energía por reducción de la energía potencial. En otras palabras, si se comporta como un planeador. Los planeadores tampoco planean con mucho éxito en dirección vertical... ni en ángulos de ataque altos, que es lo que indica tu dibujo a 45º. Las palas del rotor son alas, pero lamentablemente con una dinámica difícil, espere.

En la autorrotación tenemos palas giratorias, una que va hacia adelante y otra hacia atrás. La pala que va hacia adelante experimenta viento de frente, la pala que va hacia atrás tiene viento de cola. El rotor es impulsado por la diferencia de arrastre, y si la pala que avanza experimenta menos arrastre que la pala que va hacia atrás, el rotor es impulsado por la fuerza del viento, nunca cambia la dirección de rotación. Eso suena contradictorio, pero es exactamente lo que sucede.

Cuando el primer autogiro se sometió a una prueba de vuelo (mucho antes que el primer helicóptero, a principios de la década de 1920), comenzó a rodar cuando aumentó la velocidad de avance, porque la pala que avanza tiene una velocidad relativa del viento más alta y, por lo tanto, más sustentación. El primer vuelo exitoso, del C4 en 1923 , solucionó esto mediante la introducción del aleteo de las palas, un diseño realmente brillante. De Wikipedia :

La disimetría se contrarresta con el "aleteo de las palas": las palas del rotor están diseñadas para aletear, levantar y girar de tal manera que la pala que avanza se agita hacia arriba y desarrolla un ángulo de ataque más pequeño, produciendo así menos sustentación que una pala rígida. Por el contrario, la hoja que se retira aletea hacia abajo, desarrolla un mayor ángulo de ataque y genera más sustentación.

El mismo aleteo de las palas crea un par impulsor del rotor, por la diferencia de arrastre entre las palas orientadas hacia delante y hacia atrás. Pero solo lo hace cuando el colectivo está completamente abajo. El control de vuelo colectivo establece el ángulo de ataque de todas las palas simultáneamente, y lo primero que debe hacer el piloto cuando el motor se detiene es bajar el colectivo. De lo contrario, el arrastre en la pala que va hacia adelante es mayor que en la pala que va hacia atrás, y el rotor deja de girar.

Entonces, la autorrotación solo funciona de manera efectiva con la velocidad de avance. En la última parte, justo antes de aterrizar, el piloto se pone casi vertical: eleva el colectivo, cambia la energía de rotación de las palas por la pérdida de energía cinética y llega a un hermoso aterrizaje suave.

Tu imagen está bien hasta donde llega, pero...

Si el rotor del helicóptero tiene 2 o 4 palas, ahora haz el dibujo de la pala que está opuesta a la primera. La pendiente de esa hoja está en una dirección diferente, por lo que en lugar de ser "empujada hacia atrás", es "empujada hacia adelante". La combinación de los dos "empujes" es lo que hace que el rotor gire.

Una turbina eólica, o cualquier tipo de ventilador, funciona exactamente de la misma manera.

Es exactamente lo mismo que cuando un avión se desliza, excepto que las "alas" van en círculo.

Como estudiante piloto en un avión de ala fija, practicas esto muchas veces. El instructor pone la potencia en ralentí y dice: "Acabas de perder el motor...". Lo primero que haces es empujar el morro hacia abajo, de modo que estés planeando hacia abajo. Como vas hacia abajo, aumentas la velocidad y eso te mantiene volando. Recortas a la velocidad que te da el rango de planeo más largo y buscas un lugar para aterrizar.

En un helicóptero lo haces lanzando las palas hacia abajo (con la palanca colectiva). Esto los hace planear, lo que les da velocidad, lo que mantiene la sustentación, para que puedas buscar un lugar para aterrizar.