¿Cuál es el principio detrás del vuelo de los aviones? [duplicar]

Los aviones vuelan principalmente porque sus alas empujan el aire hacia abajo. A medida que el aire es empujado hacia abajo, una fuerza hacia arriba empuja el ala hacia arriba.

El movimiento descendente del aire se logra mediante dos métodos, los cuales se utilizan en los aviones:

1. El borde de ataque del ala es más alto que el borde de fuga, lo que hace que el ala actúe como una cuña. El ángulo entre la línea desde el borde de ataque (borde delantero del ala) hasta el borde de fuga (borde trasero del ala) y el flujo de aire que viene hacia el ala se llama ángulo de ataque .
2. El perfil de las alas es tal que obliga al flujo de aire superior a ir más rápido que el flujo de aire debajo del ala. Cuando estos flujos de aire se encuentran en el borde de salida, el flujo de aire más rápido que viene de la parte superior inclina el flujo de aire hacia abajo.

Una parte de la sustentación proviene del flujo de aire más rápido en la parte superior del ala: a medida que el flujo de aire se acelera, la presión del aire disminuye, provocando succión en la parte superior del ala.

Para lograr sustentación, el avión necesita avanzar, por lo que necesita un motor para empujarlo o jalarlo, o necesita deslizarse hacia abajo.

Para obtener más sustentación, los aviones elevan el ángulo de ataque (elevando el borde de ataque aún más que el borde de fuga) o van más rápido. Para obtener menos sustentación, haga lo contrario. Ajustar la sustentación, por supuesto, hará que el avión suba o baje.

Si el ángulo de ataque aumenta demasiado, el aire ya no puede seguir la curva de la superficie superior del ala y el ala perderá su sustentación. Esto se llama un puesto. Un ala entra en pérdida si el avión va demasiado lento, por lo que todos los aviones tienen una velocidad mínima segura.

Obviamente, también existe una velocidad máxima para los aviones, normalmente limitada por la estructura del avión, que ya no puede soportar las tensiones que provoca el aire en movimiento rápido.

Como escribió Jpe61 , lo importante es que el aire sea empujado hacia abajo. Al contrario de lo que se suele decir, en realidad no tiene nada que ver con el efecto Bernoulli.

El flujo en la parte inferior del ala es bastante fácil de entender: el aire choca con la superficie, en la que no puede penetrar, por lo que se ve obligado a cambiar su trayectoria de movimiento horizontal a movimiento diagonal hacia abajo a lo largo del ala.

En el punto donde el camino se dobla, una fuerza hacia abajo debe actuar sobre las moléculas de aire. Por la tercera ley de Newton, la fuerza opuesta debe actuar sobre el ala, y eso es lo que empuja el avión hacia arriba.

Fácil, ¿verdad?

...Bueno, eso en realidad no es suficiente. Considere una forma de ala como la siguiente, donde también tiene la desviación del camino hacia abajo, pero aún no obtiene ninguna elevación neta:

Puede ver que no hay sustentación por el hecho de que el flujo de aire después del ala es nuevamente horizontal, es decir, no se ha impartido impulso vertical al aire.

^{Nótese en particular que dos factores comúnmente mencionados no son suficientes para generar sustentación: 1. borde frontal del ala más alto que el borde posterior 2. superficie superior cuerda más larga que la superficie inferior.}

Entonces, lo crucial es que consigas mantener el flujo de aire en diagonal hacia abajo después de pasar el ala. Ahí es donde entra la importancia de la superficie superior: debe formar una curva lo suficientemente suave para que el aire la siga, fluyendo tangencialmente. En este caso, las corrientes por encima y por debajo del ala se moverán hacia abajo en el borde de fuga, por lo que pueden fusionarse nuevamente y continuar en diagonal.

Pero, ¿por qué el aire se molestaría siquiera en curvarse por encima del ala? Después de todo, no hay nada en el camino que le impida avanzar en línea recta.

La razón es la presión del aire ambiente. Si las moléculas se movieran en línea recta, habría toda una región de vacío sobre el ala. En el límite entre este vacío y la corriente de aire anterior, habría un gran gradiente de densidad y presión, y eso empujaría las moléculas de aire hacia la región de vacío. Este es un proceso muy violento; sucede cuando las cápsulas espaciales vuelven a entrar en la atmósfera a velocidades hipersónicas, pero no en las alas de los aviones.

En cambio, con un perfil de ala adecuado a la velocidad adecuada y AOA, obtienes un flujo suave sobre el ala, que no implica vacío. Sin embargo, implica una presión reducida justo sobre la parte curva del ala. Es el gradiente de presión entre esta región de baja presión y el aire ambiente de mayor presión que se encuentra arriba lo que mantiene el flujo curvo. Y la región de baja presión también agrega elevación, además de la elevación de exceso de presión de la superficie inferior.

^{También provoca un efecto de succión: el aire de mayor presión del frente del ala se acelera a medida que es succionado hacia la región de baja presión. Entonces, el flujo de aire es más rápido allí: el efecto de Bernoulli . Sin embargo, esto no es realmente relevante para el principio de cómo funciona el ascensor.}

Sin embargo, con un AOA demasiado alto, una velocidad aerodinámica demasiado baja o una inclinación del ala insuficiente, sucede algo diferente: el flujo se detiene y, en lugar de moverse a lo largo de la superficie superior, se produce una turbulencia descontrolada. Esto crea fuertes fluctuaciones de presión, que también interrumpen el flujo debajo del ala detrás del borde de salida. En última instancia, todo el flujo después del ala es turbulento y sin impulso descendente, por eso un ala estancada no produce sustentación o la reduce drásticamente.

En resumen, los aviones vuelan porque la forma de sus alas y la actitud en la que se mueven en el aire generan sustentación.

Si bien aún queda cierto debate sobre cómo exactamente las alas hacen esto, la ciencia ha resuelto la razón de una causa principal básica que resulta de dos fenómenos diferentes.

Las alas generan sustentación al alterar el impulso del aire que pasa a su alrededor. Lo hacen por la curvatura, o comba, de sus superficies superior e inferior, que logran dos cosas. Primero, el flujo de aire que golpea la superficie inferior del ala se desvía hacia abajo, lo que resulta en un cambio de momento y una fuerza de sustentación resultante a través de la conservación del momento y la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Piense en un niño que saca la mano por la ventanilla de un automóvil con la palma hacia abajo y los dedos apuntando hacia la parte delantera del automóvil. A medida que el automóvil avanza por la carretera a gran velocidad, el niño experimenta una fuerza en la mano que trata de empujarla hacia arriba y hacia atrás. Esto se debe al aire que golpea la mano del niño en la palma de la mano y se desvía hacia abajo, al igual que el aire golpea la parte inferior de la un ala hace lo mismo.

La segunda acción es que el aire que pasa sobre la parte superior de un ala se acelera, lo que provoca una caída de presión sobre la superficie superior del ala debido al principio de Bernoulli. Esta área de baja presión atrae el aire de alta presión que la rodea, alterando su impulso y dando como resultado una fuerza de elevación. Estas dos fuerzas de sustentación constituyen la fuerza total de sustentación, que contrarresta la fuerza de la gravedad. Como consecuencia, el avión ahora puede volar.

La cantidad de fuerza de sustentación que podemos generar es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica, la densidad del aire y el ángulo de ataque, que es el ángulo entre la línea de la cuerda y la dirección del flujo de aire hacia el ala.

De acuerdo con el principio de Bernoulli: los fluidos a velocidades más altas producen baja presión en ese punto, lo que afecta la alta presión circundante para ejercer fuerza en el área de baja presión.

Las alas del avión están diseñadas para que la velocidad del aire por encima del ala sea mayor que por debajo, lo que provoca una diferencia de presión (presión baja por encima y presión alta por debajo de las alas), lo que empuja al avión hacia arriba.

¿Para séptimo grado?

Qué tal si:

Debido a que el aire consiste en partículas diminutas llamadas átomos o moléculas, y cuando un avión se mueve por el aire, choca con estas partículas y rebotan en el avión y lo empujan, como si golpearas o empujaras algo con tu mano.