Principios de vuelo. Circulación del aire en torno a un cuerpo subsónico

Principios de vuelo. Circulación del aire en torno a un cuerpo subsónico

Como introducción veremos en líneas generales que es la velocidad del sonido, como y cuando se produce.

Cuando un cuerpo se mueve en el interior de un fluido o cuando un fluído se mueve alrededor de un cuerpo es necesario tener en cuenta las fuerzas que se producen entre el fluido y el cuerpo, tanto las asociadas al movimiento como las resultantes de su aplicación. f

Cada fluido tiene una determinada velocidad de propagación de las ondas sonoras, en el caso del aire y a nivel del mar es de 340 metros por segundo. Cuando la velocidad del aire alrededor de un cuerpo es inferior a la velocidad del sonido la perturbación que el sólido genera en el medio aire en forma de ondas o variaciónes de presiones hace que las moléculas de aire puedan adaptarse al cuerpo sólido. A medida que aumenta la velocidad del sólido las ondas generadas por delante del cuerpo durante su avance se van comprimiendo y disminye el índice de compresibilidad del aire y aumentando su resistencia al avance.

La barrera del sonido, de la que tantas veces hemos oído hablar, se produce cuando un sólido alcanza la velocidad del sonido, ya que la penetración del cuerpo sólido en la corriente de aire se produce con las moléculas en calma. De esta forma el aire ofrece la máxima resistencia al avance y el cuerpo sufre grandes sacudidas. Cuando la velocidad del sólido supera la velocidad del sonido el aire en calma se adapta de golpe al cuerpo, desaparece la resistencia y las sacudidas y se produce una ruidosa detonación y el desplazamiento del cuerpo vuelve a ser normal.

La relación entre la velocidad del sonido y la velocidad del cuerpo recibe el nombre de número Mach. Cuando la velocidad es inferior al número de Mach 1 el movimiento es subsónico. Dado un perfil aerodinámico con una forma determinada puede suceder que la velocidad del aire que pasa por él sea superior a la velocidad de vuelo, en el caso de que la velocidad del aire sobre el perfil alar sea superior a la del sonido y no sobre toda la aeronave, estaríamos hablando de una aeronave en régimen transónico.

La diferencia entre el régimen subsónico, transónico y supersónico es el nivel de compresibilidad o cambios de densidad del aire. Las velocidades inferior a Mach 0,75 serían subsónicas, entre Mach 0,75 y Mach 1,2 serían transónicas y velocidades superiores a Mach 1,2 serían supersónicas.

Fluido ideal

Un fluido ideal es aquel que no es compresible, ni viscoso y, al no tener forma propia, se adapta a la del recipiente que lo contiene. Al no ser compresible existe la misma densidad en todos los puntos del fluido, al carecer de viscosidad es nulo el rozamiento entre capas de fluido adyacentes o fuerzas tangenciales y son perpendiculares a la superficie de separación las acciones mutuas de contacto entre dos porciones de masa del fluido. Las leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro establecen el comportamiento y las características comunes de un modelo que se conoce como la ecuación de estao de los gases perfectos o ideales. Esta ecuación, que ya vimos en nuestra entrada sobre la atmósfera, relaciona presión, volumen, temperatura, masa y densidad de la siguiente forma,

PV = nRT

Donde P es la presión, V el volumen del gas, n es el número de moles en la masa m, R es la constante universal de los gases perfectos y T es la temperatura absolute medida en grados Kelvin.

Corrientes fluidas

El estudio de las corrientes fluidas nos servirá de introducción para, más adelante, estudios relacionados con el movimiento del aire y con las fuerzas que actúan en sólidos en movimiento bajo la influencia de este fluido.

Lo primero que debemos saber, sin entrar en detalles, es la diferencia y significado entre trayectoria de una molécula o partícula y línea de corriente. Para un determinado instante en el interior de un fluido en movimiento cada una de sus partículas tiene una velocidad que cambia con el tiempo, por lo tanto, para poder establecer el movimiento del fluido será necesario conocer el conjunto de vectores velocidad de cada partícula del fluido.

Concepto de corrientes fluidas
Fig. 1 – Concepto de corrientes fluidas

En la figura 1 podemos observar las diferentes corrientes de fluidos,

  • Punto 1, trayectoria, vemos el recorrido que realiza una partícula de un fluido en el tiempo y en el espacio
  • Punto 2, tubo de corriente, se considera que todas las partículas que circulan a través de la sección forman un cojunto denominado tubo de corriente. Todas las partículas que entran por una de las secciones salen por la otra.
  • Punto 3, líneas de corriente, las diferentes líneas que envuelven el tubo de corriente se denominan líneas de corriente. Estas líneas representan las líneas de movimiento de varias partículas durante un tiempo determinado. Estas líneas son tangentes a los vectores de velocidad
  • Punto 4, flujo no estacionario, cuando la trayectoria que describen las partículas del fluido co coinciden con la corriente modificándose la distribución de velocidades con el tiempo se denomina flujo no estacionario. Al contrario que en un fluido estacionario donde sí coinciden las líneas de corriente y las trayectorias al no modificarse la distribución de velocidades.

Cuando el viento azota una manga, por ejemplo, con una intensidad de 10 nudos y una dirección de 180º diremos que tiene un flujo estacionario. Cuando el viento que azota la misma manga es variable en su dirección y/o velocidad diremos que es un flujo no estacionario.

El flujo sobre un objeto es estacionario siempre que el vector propio de cada punto de la corriente permanece constante.

Ecuación de continuidad

En el interior de un tubo se cumple la ecuación de continuidad que indica que en cualquier sección perpendicular al tubo de corriente, el producto de la superficie de la sección por la velocidad de paso por ella del fluido no varía.

Ecuacion Continuidad
Fig. 2 – Ecuacion Continuidad

Podemos afirmar que, según la ecuación de continuidad, cuando mayor sea la sección del tubo menor será la velocidad y más separadas se encuentran las líneas de corriente y cuando menor sea la sección del tubo mayor velocidad y más juntas estarán las líneas de corriente.

En la ecuación de continuidad se ha considerado el fluido perfecto, incompresible y no viscoso), estacionario, unidemensional y sin fugas. Si, como en el caso del aire, el fluido fuera viscoso la relación sería válida para velocidades normales o no muy elevadas de número de Mach.

Ecuación de Bernouilli

Ecuacion de Bernouilli
Fig. 3 – Ecuacion de Bernouilli

Sin consideramos el fluido incrompresible, no viscoso, estacionario y unidemensional al moverse por el interior del tubo de corriente y no existir pérdidas, el movimiento se regirá por el principio de la conservación de la energía, por lo que en cada punto del tubo la energía siempre será la misma. El valor total de la energía se calcula totalizando la energía del movimiento del fluido ( energía cinética ), la presión estática del fluido y la energía o presión potencial debido a la altura del fluido.

El Principio de Bernouilli dice que en cada punto de un fluido ( incrompesible, no viscoso y estacionario ) en movimiento, la suma de la presión dinámica, la presión estática y la presión debida a la altura, es constante.

Si el tubo es horizontal o la diferencia de altura despreciable o la distancia entre líneas de corriente ( h1 = hn), obtenemos la siguiente ecuación alternativa a la de Bernouilli,

1/2ρV2 + P = constante

Esta igualdad nos indica que a lo largo de cualquier línea de corriente, la presión total ( suma de presiónes estática y dinámica ) es constante.

 

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