¿Por qué el fuselaje de un avión comercial tiene forma circular?

Considere el fuselaje de un A300 . He notado esto no solo con los aviones comerciales, sino también con los jets privados y los turbohélices: ¿por qué el fuselaje tiene forma circular? ¿Por qué los aviones no tienen fuselaje de forma cuadrada? ¿Tiene que ver con demasiada resistencia?

Respuestas (4)

Si presuriza cualquier estructura hueca, intentará asumir una forma redonda. Si desea crear un recipiente a presión liviano, nuevamente una esfera será el resultado más eficiente, porque allí las tensiones en la piel serán iguales en todos los puntos. Infla un globo de fiesta si tienes dudas.

Una esfera no es la forma más eficiente para la aerodinámica, por lo que los fuselajes son esferas alargadas con un bonito carenado al final. Si los hace cilíndricos en el medio, puede construir la mayoría de los mamparos en la misma plantilla y puede intercambiar secciones de los carenados internos. Además, si necesita un fuselaje más largo o más corto para la próxima versión del avión, puede agregar o quitar secciones fácilmente; las piezas aún encajarán después de la modificación.

Tenga en cuenta que los fuselajes de los aviones no presurizados no siguen esta lógica. Un Short Skyvan o un Dornier 228 tienen fuselajes con una sección transversal rectangular, por lo que puede caber una carga grande.

Además, algunos fuselajes son combinaciones de cilindros. El Boeing 377 Stratocruiser usaba el fuselaje inferior del B-29 y tenía un cilindro superior más grande en la parte superior para dar más espacio a los pasajeros.

Sección transversal del Boeing 377

Sección transversal del Boeing 377 ( fuente de la imagen )

Por la misma razón, las etapas de los cohetes también son cilíndricas. También deben ser aerodinámicos, deben tolerar una alta presión interna y deben ser livianos.

+1 para responder la pregunta inversa ¿ por qué algunos fuselajes no tienen una sección transversal circular? Debería merecer un "verdadero" +1 si el compromiso entre el propósito de la aeronave (carga/cumple con las especificaciones de los contenedores...) y el peso agregado (¿por qué los fuselajes como los de los ATR, A380, CN235 y 737 no aprovechan el espacio adicional de un fuselaje circular...)
La parte "intentará asumir una forma redonda" se debe al comportamiento natural de los gases de asumir la forma del contenedor, lo que hace que la presión se distribuya por igual en el área del perímetro. Si el contenedor es flexible (piense que el metal es flexible con suficiente fuerza) se deformará para distribuir la tensión. Una esfera distribuye la tensión por igual, mientras que un cubo no lo hace. La tensión acumulada requiere refuerzo estructural, por lo tanto peso, por lo que es menos económico para un avión.

Los fuselajes tienen forma circular (o casi circular) por dos razones principales :

  • La razón principal es que para una sección transversal circular, las cargas de presión son resistidas por tensión, en lugar de cargas de flexión en secciones no circulares. Además, las secciones no circulares tienen concentraciones de tensión cuando están presurizadas, lo que puede provocar fallas.

  • En el caso de un diseño circular, el flujo no se separará bajo ángulos de ataque pequeños (a moderados) y deslizamiento lateral.

En el caso de aeronaves no presurizadas, los fuselajes están dictados por las limitaciones de volumen y, por lo general, tienen forma rectangular, ya que es más eficiente en la utilización del espacio.

Secciones transversales de la cabina de cercanías

Fuente: adg.stanford.edu

En el caso de aviones presurizados, la mejor opción estructuralmente es tener un fuselaje circular, pero para tener un espacio interno útil se utiliza un diseño elíptico o de 'doble burbuja', con una sección circular exterior y secciones internas divididas, como el A380.

Sección transversal del fuselaje A380
Fuente: EADS

¿Por qué [los aviones de pasajeros] no tienen un fuselaje de forma cuadrada?

ingrese la descripción de la imagen aquí Shorts Skyvan foto de Wings over Europe

ingrese la descripción de la imagen aquí Diagrama de Shorts Skyvan de A Tall Guy

La mayoría de los aviones comerciales están presurizados. Si infla un globo de goma, notará que la forma más económica y más fuerte para un contenedor presurizado es una con una sección transversal circular.

También notarás, cuando inflas una bomba de agua de origami (deberías dejar de leer esto y hacer una bomba de agua de origami ahora), que los lados planos se doblan y se abultan: las hojas planas no son buenas para resistir la presión.

Los aviones de pasajeros esféricos tendrían demasiadas desventajas, pero los cilíndricos tienen un buen equilibrio entre fuerza, peso, arrastre y eficiencia espacial.

Como puede ver arriba, en algunas circunstancias, los fabricantes de aeronaves creen que las ventajas de una sección transversal rectangular valen la pena.

Yo personalmente creo en el diseño de rectángulos.
1. ¡Guau, ese es un avión de aspecto extraño! Estoy tentado a decir que la verdadera razón es que los aviones de fuselaje rectangular son feos ;-) 2. Hablando en serio, incluso quitando la aerodinámica de la ecuación, los recipientes a presión esféricos son bastante raros. Hojee cualquier catálogo de compresores industriales y verá que todos los tanques son cilíndricos, debido a la facilidad de fabricar lados cilíndricos y la dificultad de fabricar extremos semiesféricos. La única diferencia es que la relación de aspecto es 2 o 3 veces más corta que la de un avión típico.
@steveverrill Yo no diría feo. Tengo un diseño de avión que tiene un fuselaje rectangular y se ve muy bien cuando lo imagino en mi cabeza.
@steveverrill: No sé si los recipientes a presión esféricos son tan raros. Considere los tanques de gas natural y los tanques de gas natural como ejemplos. Por supuesto, esos son tanques grandes en lugar de algo que vería en un catálogo de compresores, pero todavía es bastante común.
@muistooshort Los depósitos de gas natural licuado son esféricos para reducir la superficie y por tanto el aislamiento. Estrictamente hablando, no son recipientes a presión, ya que funcionan a presión ambiente (ya una temperatura de -162 °C). El metano tiene un punto crítico de -83 °C y, por lo tanto, no se puede licuar a temperatura ambiente. Un recipiente a presión esférico ofrece un ahorro de material teórico del 25 % en comparación con un cilindro delgado e infinitamente largo. En la práctica, rara vez vale la pena si la presión es la única consideración.
@LevelRiverSt: En la práctica, las estructuras infinitamente largas rara vez son prácticas... :P

Drag tiene poco o nada que ver con eso.

La razón principal por la que el fuselaje tiene forma circular (o elíptica ) es que la cabina está presurizada.

Esto significa que, principalmente durante el crucero, el interior del fuselaje tiene una presión más alta que la atmósfera exterior. La forma circular (o aproximadamente circular) permite que el fuselaje evite explotar como un globo con una cantidad mínima de material, lo que minimiza el peso total de la aeronave. Un fuselaje cuadrado se rompería en las esquinas debido a la concentración de esfuerzos . Una forma circular no tiene esquinas donde la tensión de tracción pueda concentrarse.

El arrastre tiene que ver en la medida en que, de lo contrario, los fuselajes de los aviones serían esferas. El cilindro del mismo volumen provoca mucho menos arrastre cuando se mueve a través del aire a lo largo de su eje longitudinal. Además, hay más asientos junto a las ventanas posibles si tomas un cilindro ;-)
@PeterKämpf Estoy de acuerdo, pero la pregunta es "círculo frente a sección cuadrada", no sobre la forma 3D
@PeterKämpf Más espacio para poner tus maletas en forma de cuadrado. Y también más ancho de cabina.
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