Principios de vuelo. Sustentación y resistencia

Principios de vuelo. Sustentación y resistencia

Para resolver problemas comunes que tienen que ver con el estudio y control de las fuerzas que actúan sobre una aeronave se utiliza la incidencia de una corriente de aire sobre un perfil. Las fuerzas aerodinámicas quer actúan sobre el perfil son las de sustentación, resistencia y la resultante.

En la figura 1 vemos como actúa la fuerza de sustentación ( L ) y de resistencia ( D ) sobre un perfil bidimensional. El perfil se encuentra en una corriente de aire con una velocidad V y un ángulo de ataque α. Por definición, las componentes de la fuerza aerodinámica, R, son las de sustentación ( L ) y de resistencia ( D ). Estas fuerzas son perpendicular y paralela, respectivamente, a la dirección del viento.

Para calcular las fuerzas de resistencia y sustentación sin entrar en farragosas ecuaciones y cálculos, utilizaremos el método basado en las formas adimensionables denominados coeficientes. Si denominamos CL al coeficiente de sustentación y Cd al coeficiente de resistencia, “q” a la presión dinámica (1/2 ρ V2) y S a la superficie alar, obtenemos la siguientes ecuaciones para la sustentación ( L ) y para la resistencia ( D ),

L = CLqS

D = CDqS

En la siguiente tabla se indican diferentes formas adimensionales con sus relaciones

Número adimensional Fórmula Relación entre
Coeficiente de sustentación CL
Fuerza de sustentación y Fuerza dinámica
Coeficiente de resistencia CD
 
Fuerza de resistencia y Fuerza dinámica
Número de Mach M
 
Velocidad corriente y Velocidad del sonido
Número de Reynolds Re
 
Fuerza de inercia y Fuerza viscosidad
Coeficiente de presión Cp
 
Presión estatica y Presión dinámica
Coeficiente de fricción
 
Fuerza de fricción y Presión dinámmica

 

CL y CD y su relación con el ángulo de ataque

El coeficiente de sustentación, CL, representa la eficacia del perfil en transformar la presión dinámica en fuerza sustentadora. Suponiendo que en la fórmula L = CLqS se mantengan constante los valores de q y S y se establecen coeficientes de sustentanción dependiendo del ángulo de ataque, observamos que para perfiles delgados, velocidad subsónica y pequeños ángulos de ataque tiene como expresión,

CL = 2Πsen(α-αL=0)

Relación entre el Coeficiente de Sustentación y el Ángulo de Ataque
Figura 1. Relación entre el Coeficiente de Sustentación y el Ángulo de Ataque

Con esta expresión deducimos que a mayor ángulo de ataque mayor coeficiente de sustentación, por lo que mayor será la sustentación, esta igualdad se cumple, aproximadamente, para ángulos de ataque entre 0º y 12º. Ver figura 1.

Como comprobamos en la figura 1 el coeficiente de sustentación y la sustentación aumentan con el ángulo de ataque hasta llegado un punto, CLMáx en el que de una manera más o menos brusca el coeficiente de sustentación empieza a disminuir llegando a la pérdida, que será más o menos rápido cuanto menor sea el radio de la curvatura del borde de ataque del perfil.

Relación entre el coeficiente de resistencia y el ángulo de ataque
Figura 2.Relación entre el coeficiente de resistencia y el ángulo de ataque

Si mantenemos constantes los parámetros q y S en la fórmula D = CDqS y establecemos los coeficientes de resistencia ( CD ) en función del ángulo de ataque, la curva de de esta relación tiende a parecerse a una rama de parábola. El coeficiente de resistencia de referencia lo se consigue en el punto en el que e ángulo de ataque es cero, y se va incrementando a medida que lo hace el ángulo de ataque, ver figura 2.

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