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Avión y aeronáutica


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Historia

El primer aparato volador diseñado por el hombre fue la cometa aproximadamente en el siglo V. En el siglo XIII el monje inglés Roger Bacon tras años de estudio, llegó a la conclusión de que el aire podría soportar un cuerpo de la misma manera que el agua soporta un barco. A comienzos del siglo XVI Leonardo da Vinci se inspiró en el vuelo de los pájaros y anticipó varios diseños que después resultaron realizables. Entre sus importantes contribuciones al desarrollo de la aviación se encuentra el tornillo aéreo o hélice y el paracaídas. Concibió tres tipos diferentes de artefactos: el ornitóptero, máquina con alas como las de un pájaro que se podían mover mecánicamente; el helicóptero diseñado para elevarse mediante el giro de un rotor situado en el eje vertical y el planeador en el que el piloto se sujetaba a una estructura rígida a la que iban fijadas las alas diseñadas a imagen de las grandes aves. Leonardo creía que la fuerza muscular del hombre podría permitir el vuelo de sus diseños. La experiencia demostró que eso no era posible.

El desarrollo práctico de la aviación siguió varios caminos durante el siglo XIX. El ingeniero aeronáutico e inventor británico sir George Cayley, teórico futurista, comprobó sus ideas experimentando con cometas y planeadores capaces de transportar un ser humano. Diseñó un aparato en forma de helicóptero pero propulsado por una hélice en el eje horizontal. Sus méritos le llevaron a ser conocido por sus compatriotas como el padre de la aviación. El científico británico Francis Herbert Wenham utilizó en sus estudios el túnel aerodinámico, sirviéndose del flujo del viento forzado en su interior para analizar el uso y comportamiento de varias alas colocadas una encima de otra. Fue además miembro fundador de la Real Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña. Otros personajes interesantes del mundo aeronáutico de la época fueron el inventor británico John Stringfellow y William Samuel Henson, quienes colaboraron al principio de la década de 1840, para fabricar el prototipo de un avión que pudiera transportar pasajeros. El aparato desarrollado por Stringfellow en 1848 iba propulsado por un motor de vapor y arrastrado por un cable y consiguió despegar aunque no pudo elevarse. El inventor francés Alphonse Penaud fabricó un modelo que se lanzaba con la mano e iba propulsado por bandas de goma retorcidas previamente y consiguió en el año 1871 que volase unos 35 metros. Otro inventor francés, Victor Tatin, diseñó un ingenio propulsado por aire comprimido y equipado con un rudimentario tren de aterrizaje de cuatro ruedas. Lo sujetó a un poste central y las dos hélices consiguieron elevar el aparato en vuelos cortos y de baja altura.

El inventor británico nacido en Australia, Lawrence Hargrave, desarrolló un modelo de alas rígidas que iba impulsado por paletas batientes movidas por un motor de aire comprimido. Voló 95 metros en 1891. El astrónomo estadounidense Samuel Pierpont Langley fabricó en 1896 un monoplano en tándem impulsado por un motor de vapor cuyas alas tenían una envergadura de 4,6 metros. El aeroplano hizo varios vuelos, recorriendo entre 900 y 1.200 metros de distancia durante un minuto y medio. Subía en grandes círculos; luego, al pararse el motor, descendía lentamente para posarse en las aguas del río Potomac.

Se hicieron numerosos esfuerzos para imitar el vuelo de las aves con experimentos basados en paletas o alas movidas por los músculos humanos, pero nadie lo logró. Merecen citarse el austriaco Jacob Degen entre 1806 y 1813, el belga Vincent DeGroof, que se estrelló y murió en 1874 y el estadounidense R. J. Spaulding quien patentó su idea del vuelo empujado por músculos en 1889. Más éxito tuvieron quienes se dedicaron al estudio de los planeadores y contribuyeron al diseño de las alas, como el francés Jean Marie Le Bris, quien probó un planeador con las alas batientes, el estadounidense John Joseph Montgomery y el renombrado alemán Otto Lilienthal. Lilienthal realizó sus experimentos con cometas y ornitópteros pero los mayores éxitos los obtuvo con sus vuelos en planeador entre l894 y 1896. Por desgracia murió en 1896 al perder el control de su aparato y estrellarse contra el suelo desde 20 metros de altura. Percy S. Pilcher, de Escocia, que también había obtenido grandes éxitos con su planeador, tuvo asimismo un accidente mortal en 1899. El ingeniero estadounidense Octave Chanute consiguió en 1896 pequeños logros con sus planeadores de alas múltiples, pero su contribución más notable a la aviación fue su libro sobre los avances aeronáuticos Progress in Flying Machines (1894).

Los numerosos experimentos realizados con cometas durante esta época, consiguieron mejorar de forma notable los conocimientos sobre aerodinámica y estabilidad del vuelo. El inventor estadounidense James Means publicó sus resultados en los Aeronautical Annuals de 1895, 1896 y 1897. Lawrence Hargrave inventó en 1893 la cometa en forma de caja y Alexander Graham Bell desarrolló entre 1895 y 1910 diversas cometas en forma de tetraedro capaces de transportar a un ser humano en un pequeño alojamiento.

Entre 1890 y 1901 se realizaron numerosos experimentos con prototipos provistos de motor. El más importante fue el de Langley que en 1901 y 1903 probó e hizo volar sin piloto un aeroplano a un cuarto de escala de su tamaño real. Le llamó Aerodrome y fue la primera aeronave más pesada que el aire provista de un motor de gasolina que consiguió volar. El modelo a escala real se terminó en 1903 y realizó dos pruebas que acabaron en desgraciados accidentes. El aviador alemán Karl Jatho intentó en 1903, también sin éxito, volar un modelo motorizado de tamaño real.

Los logros conseguidos a lo largo del siglo XIX aportaron los fundamentos necesarios para el éxito de los hermanos Wright, pero los mayores avances se debieron a los esfuerzos de Chanute, Lilienthal y Langley a partir de 1885. En 1903 aún no se habían conseguido la estabilidad y el control necesarios para un vuelo prolongado, pero los conocimientos aerodinámicos y sobre todo el éxito de los motores de gasolina, que sustituyeron a los más pesados de vapor, permitirían que la aviación evolucionase con rapidez.

El día 17 de diciembre de 1903, cerca de Kitty Hawk, en el estado de Carolina del Norte, los hermanos estadounidenses Wilbur y Orville Wright realizaron el primer vuelo pilotado de una aeronave más pesada que el aire propulsada por motor. El avión fue diseñado, construido y volado por ambos hermanos, quienes realizaron dos vuelos cada uno. El más largo fue el de Wilbur con 260 metros recorridos en 59 segundos. Al año siguiente continuaron mejorando el diseño del avión y su experiencia como pilotos a lo largo de 105 vuelos, algunos de más de 5 minutos. En 1905 llegaron a recorrer 38,9 kilómetros en 38 minutos y 3 segundos. Todos los vuelos se realizaron en campo abierto, regresando casi siempre cerca del punto de despegue.

Hasta 1906 nadie más consiguió volar en un avión. En ese año el húngaro residente en París, Trajan Vuia, realizó algunos saltos muy cortos y también lo consiguió Jacob Christian Ellehammer en Dinamarca. El primer vuelo oficialmente registrado en Europa lo hizo en Francia el brasileño Alberto Santos Dumont y su trayecto más largo lo logró el 12 de noviembre de 1906 cubriendo una distancia de 220 metros en 22,5 segundos. El aeroplano, registrado como 14-bis, había sido diseñado por él y construido en la primera fábrica de aviones del mundo, la de los hermanos Voisin en París. Su forma era la de una gran cometa en forma de caja en la parte trasera y otra pequeña en la delantera, unidas por la estructura cubierta de tela. El motor era un Levavasseur Antoinette de 40 CV y estaba ubicado junto con la hélice en la parte posterior. El piloto iba de pie en una cesta situada delante del ala principal. En Europa nadie consiguió volar más de un minuto hasta finales de 1907, en que lo logró Henri Farman en un avión construido también por Voisin.

En contraste con Europa, los hermanos Wright conseguían en Estados Unidos superar sus marcas día a día. El 3 de septiembre de 1908, Orville Wright hizo una demostración con un modelo más veloz para el Cuerpo de Señales del Ejército en Fort Meyer, Virginia. El 9 de septiembre completó el primer vuelo mundial de más de una hora y también por primera vez se transportó un pasajero, el teniente Frank P. Lamh, durante 6 minutos y 24 segundos. Estas demostraciones se interrumpieron el 17 de septiembre a causa de un accidente en el que resultaron heridos Orville y su pasajero el teniente Thomas E. Selfridge, quien murió horas después a consecuencia de una conmoción cerebral. Fue la primera persona muerta en accidente de avión propulsado por motor. Entretanto Wilbur Wright, que había ido a Francia en agosto, completó, el 31 de diciembre, un vuelo de 2 horas y 20 minutos demostrando un control total de su avión con suaves virajes, subidas y descensos a su entera voluntad. Recuperado de sus heridas y con la colaboración de Wilbur, Orville reanudó las demostraciones para el Cuerpo de Señales en julio de 1909 y cumplió sus requisitos a finales de mes. El aeroplano fue comprado el 2 de agosto y se convirtió en el primer avión militar operativo de la historia. Permaneció en servicio activo durante dos años y después fue retirado y trasladado a la Institución Smithsonian en la ciudad de Washington donde puede contemplarse todavía.

Una figura importante entre los diseñadores, fabricantes y pilotos estadounidenses fue Glenn Hammond Curtiss, de Hammondsport, Nueva York. En 1907 realizó en solitario un vuelo en el dirigible construido por Thomas Baldwin, propulsado por un motor de motocicleta de la fábrica de Curtiss que él mismo había modificado. En mayo siguiente Curtiss voló, también en solitario, el aeroplano diseñado y fabricado por un grupo conocido como la Asociación de Experimentos Aéreos, organizada por Alexander Graham Bell. Curtiss era uno de sus cinco miembros. Con su tercer avión, el June Bug, el 4 de julio de 1908 Curtiss cubrió la distancia de 1.552 metros en 42,5 segundos y ganó el Trofeo Científico Americano, primer premio estadounidense concedido al vuelo de un avión. En Reims, Francia, el 28 de agosto del año siguiente, Curtiss ganó el primer torneo internacional de velocidad, al conseguir una marca de 75,6 km/h. El 29 de mayo de 1910 ganó también el premio New York World, dotado con 10.000 dólares, por realizar el trayecto desde Albany, en el estado de Nueva York, hasta la ciudad de Nueva York; y en agosto completó el trayecto desde Cleveland a Sandusky, Ohio, sobrevolando la costa del lago Erie. En enero de 1911 consiguió ser el primer americano en desarrollar y volar un hidroavión. En Europa lo había conseguido el 28 de marzo de 1910 el francés Henri Fabre.

El pionero en cruzar el Canal de la Mancha fue el ingeniero y piloto francés Louis Blériot. El día 25 de julio de 1909, durante 35,5 minutos recorrió 37 kilómetros, desde Calais, Francia, a Dover, Inglaterra, en un avión monoplano diseñado y fabricado por él mismo.

Durante los años posteriores a la I Guerra Mundial se realizaron grandes progresos tanto en el diseño de los aeroplanos como de los motores. Los aviones de dos alas con los motores y las hélices situadas en la parte posterior pronto fueron sustituidos por aviones con los motores situados en la parte delantera. Había muy pocos modelos de monoplanos, pero en cambio durante la guerra ambos contendientes fabricaron enormes biplanos con dos, tres y hasta cuatro motores que en Europa fueron al principio del tipo rotativo, aunque pronto se sustituyeron por los modelos radiales. En Gran Bretaña y Estados Unidos predominaron los motores refrigerados por agua.

El transporte aéreo de correo se aprobó oficialmente en Estados Unidos en el año 1911 y se realizó el primer vuelo el 23 de septiembre. El piloto, Earle Ovington, llevó la saca de correos en sus rodillas en un vuelo que tan sólo duró 5 minutos y recorrió los 8 kilómetros que hay entre el bulevar Nassau y Mineola, ambos en Long Island, Nueva York. Ovington lanzó la saca sobre Mineola, donde fue recogida y trasladada a la oficina de correos. El servicio duró sólo una semana.

En 1911 se completó el primer vuelo transcontinental en Estados Unidos, desde la ciudad de Nueva York hasta Long Beach en California. Lo consiguió el piloto estadounidense Calbraith P. Rodgers. Salió de Sheepshead Bay, en Brooklyn, Nueva York, el 17 de septiembre, al mando de un aeroplano Wright, y aterrizó en su destino el 10 de diciembre, 84 días más tarde. El tiempo real de vuelo fue de 3 días, 10 horas y 14 minutos.

Avión de transporte

En Europa el avión fue usado para transporte de pasajeros en el año 1919, mientras que en Estados Unidos los primeros vuelos de la aviación comercial se dedicaron principalmente al correo. Los vuelos de pasajeros aumentaron en rutas como la de Londres a París, se introdujeron en Estados Unidos a partir de 1927 y crecieron más deprisa gracias a la aparición de aviones seguros y confortables como el Douglas DC-3. Este avión iba propulsado por dos motores de hélice y podía transportar 21 pasajeros a una velocidad de crucero de 300 km/h. Todavía se puede ver volando por los cielos de muchos países. Poco después aparecieron los aviones cuatrimotores que podían volar aún más de prisa, subir más alto y llegar más lejos. El siguiente paso se dio en 1950, con el Vickers Viscount británico, primer avión impulsado por hélice movida por turbina a gas.

Los aviones para cubrir un servicio se eligen en función de dos factores: el volumen de tráfico y la distancia entre los aeropuertos a los que sirve. La distancia entre aeropuertos se conoce como recorrido y hay un elevado número de aviones que pueden operar entre 400 y 11.000 kilómetros.

Los reactores comerciales de pasajeros se usaron al principio para recorridos de larga distancia. El avión británico De Havilland Comet inició su servicio en 1952, y el Boeing 707 en 1958. A finales de la década de 1950 apareció el Douglas DC-8 y los Convair 880 y 990. Estos aviones desarrollaban una velocidad de crucero aproximada de 900 km/h y transportaban más de 100 pasajeros.

El Caravelle francés, el De Havilland Trident inglés y el Boeing 727 estadounidense, todos ellos más pequeños y diseñados con los motores en la cola, se construyeron para cubrir líneas de medio recorrido, entre 800 y 2.400 kilómetros. A mediados de la década de 1960 aparecieron birreactores aún más pequeños para operar en trayectos de corto recorrido, como el Boeing 737, el DC-9, el Fokker F-28 y el BAC-111.

El Boeing 747 entró en servicio en el año 1970 y fue el primer avión comercial de fuselaje ancho. Sirve en trayectos de media y larga distancia y alta densidad. Utiliza motores turbofán y vuela en crucero a unos 900 km/h. Normalmente transporta 400 pasajeros, llegando hasta 500 en algunas versiones. El Douglas DC-10 y el Lockheed 1011 Tristar son también grandes aviones con capacidades próximas a los 300 pasajeros. Ambos van empujados por tres motores montados en la cola. Se diseñaron para cubrir trayectos como el de Chicago-Los Ángeles y otros de recorrido similar. El primer DC-10 voló en 1971 y el L-1011 en 1972. Mientras, en Europa, el primer avión birreactor de fuselaje ancho, Airbus A300, realizaba su primer vuelo en el mismo año. Airbus es un consorcio de empresas de distintos países europeos como España, Francia y Reino Unido entre otros.

El avión supersónico comercial o SST constituye la cima en el desarrollo de la tecnología aeronáutica y permite cruzar el Atlántico Norte y regresar de nuevo en menos tiempo de lo que un reactor subsónico tarda en hacer uno de los trayectos. El supersónico soviético TU-144, que fue el primero en entrar en servicio en 1975, realizaba vuelos regulares de carga en la URSS. En 1962 los gobiernos del Reino Unido y Francia firmaron un acuerdo para desarrollar y construir el proyecto del avión supersónico Concorde. El primer vuelo de prueba se hizo en 1971 y el certificado de aeronavegabilidad se firmó en 1975. El primer vuelo comercial del avión francés fue desde París a Río de Janeiro, con escala en Dakar, y del inglés desde Londres a Bahrain.

En sus inicios el proyecto SST fue criticado por ser antieconómico y muy ruidoso. A pesar de las objeciones, el servicio a los Estados Unidos comenzó el 24 de mayo de 1976, con vuelos simultáneos desde Londres y París al aeropuerto internacional Dulles cerca de la ciudad de Washington y a Nueva York (22 de noviembre de 1977). Excepto en los países de la antigua URSS, los vuelos SST deben realizarse a velocidades subsónicas cuando pasan por zonas habitadas.

Las pérdidas de explotación del Concorde superaron los 500 millones de libras y dejó de fabricarse en 1979. Los aviones franceses han extendido sus servicios desde París a Caracas (Venezuela) y a Dakar (Senegal). A pesar del fracaso comercial del Concorde, los fabricantes y operadores están interesados en una posible segunda generación de aviones supersónicos. Entretanto hay una enorme competencia entre los fabricantes de aviones reactores subsónicos avanzados como los Boeing 757, 767 y 777 y los Airbus A-320, 330 y 340. El A-320 ha sido el primer avión comercial en usar el sistema de control completamente automático fly-by-wire. El avión cuatrimotor de largo recorrido A-340 y el trimotor McDonnell-Douglas MD-11 son los competidores del Boeing 747 mientras el bimotor de fuselaje ancho A330 y el Boeing 777 concurren en el mercado de alta densidad y medio recorrido donde ya competían el Boeing 767 y el Airbus A300/310.

Los aviones de carga han conocido una expansión sin precedentes desde la II Guerra Mundial. Los primeros aeroplanos de carga fueron los Canadair CL-44 y el Armstrong-Whitworth Argosy, a los que siguieron versiones de los grandes aviones de pasajeros modificados para carga, que son los usados actualmente.

Aeronáutica

La aeronáutica es la ciencia (o acción) de diseñar un avión o alguna otra máquina voladora. Existen cuatro áreas básicas que los ingenieros aeronáuticos deben entender.

Qué forma darle al avión, a las alas y a la cola de modo que el avión pueda elevarse sobre el suelo y volar fácilmente por el aire. A esto se le llama aerodinámica.

Cómo controlar el avión de manera que pueda dar vuelta en el aire, pero sin comenzar a girar fuera de control. A esto se le llama estabilidad y control.

Cómo construir un motor (a chorro o con hélices propulsoras) para que el avión pueda desplazarse a través del aire. A esto se le llama propulsión.

Cómo construir el avión de modo que no se desintegre cuando sea golpeado por una ráfaga del viento o aterrice de golpe en un portaaviones. A esto se le llama estructuras.

La ingeniería aeronáutica es diferente que la ingeniería aeroespacial. Los ingenieros aeroespaciales construyen cohetes y satélites. Los cohetes deben viajar a través del aire, pero deben también poder navegar por el espacio. El diseño y los motores de los cohetes son muy diferentes a los de los aviones.

Dinámica de los fluidos

Las moléculas (pequeñas partículas) de un objeto sólido permanecen alineadas de manera que el objeto mantiene su forma. Si intentas empujar un objeto sólido cuadrado a través de agujero redondo más pequeño, el sólido no cambiará de forma. Puede ser que se rompa, pero no cambiará su forma. Y, no importa cuánto lo trates de comprimir (apretar) o estirar, las moléculas no cambiarán de posición. (No puedes hacer que un sólido se haga más grande o más pequeño.)

Las moléculas de un líquido, sin embargo, son diferentes a las de un sólido. Si vacías un líquido de un tazón (recipiente) cuadrado a un tazón redondo, adquirirá la forma del recipiente redondo. El líquido volverá a juntarse. No se expandirá (no se hará más grande) para llenar el recipiente. Si tratas de comprimir o estirar un líquido, las moléculas no cambiarán posición. (Tampoco puedes hacer que un líquido se haga más grande o más chico.)

Los gases, como el aire, son diferentes a los líquidos y a los sólidos. Los gases se deforman para llenar el envase que los contiene. Los gases también se expanden (se esparcen) o se contraen (se encogen) ajustándose al espacio que haya disponible. Las moléculas de los gases se mueven (cambian de posición) cuando se les comprime o se les permite expandirse. Los líquidos y los gases son fluidos.

En las siguientes secciones, estudiaremos cuatro áreas de la dinámica (la ciencia que trata sobre el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que lo producen): (1) dinámica de sólidos, (2) cómo se comportan los líquidos (hidrodinámica), (3) cómo se mueven el aire y otros gases (aerodinámica), y (4) cómo cambian los gases cuando se mueven a altas velocidades (dinámica de gases).

Aerodinámica

A medida que se mueve alrededor de un objeto (como las alas de un avión), el aire intenta hacer que dicho objeto se mueva. El estudio de cómo el aire tira (jala) y empuja un objeto se conoce como aerodinámica. Las fuerzas aerodinámicas actúan sobre aviones, barcos de vela, coches, y otros objetos que se mueven rápidamente a través del aire. La aerodinámica nos ayuda a entender cómo volar mejor.

Cómo Cambian los Gases de Alta Velocidad - Dinámica de Gases

Los aviones o los cohetes que vuelan muy rápido y muy alto siguen un conjunto de reglas distintas llamado "dinámica de gases". Las reglas cambian debido a la alta temperatura del aire y las altas velocidades de estos aviones y cohetes.

Propiedades de los fluidos

Cuando algo como un avión o un barco viaja a través del aire o del agua, ciertas fuerzas comienzan a hacerse presentes. Es necesario entender cómo actúan estas fuerzas. Se necesita realizar un estudio de los fluidos (como el aire o el agua). En la sección de Medidas, las unidades (pulgadas, pies, metros) fueron presentadas. Éstas nos ayudan a comprender mejor las fuerzas aerodinámicas.

Las propiedades o características del airo del agua incluyen, por ejemplo, temperatura, presión, densidad, viscosidad, peso, velocidad, y aceleración. Estos conceptos se definirán con detalle en esta sección.

Temperatura

La temperatura de un fluido es importante. El aceite caliente, por ejemplo, fluye más rápidamente que el aceite frío. El aire calientes se eleva, mientras que el aire frío baja. En muchas casas las ventanillas del sistema de calefacción están en el suelo. De esta forma el aire caliente se elevará por todo el cuarto. El agua muy fría es más ligera que el agua que no está tan fría. Esta es la razón por la cual la superficie de un lago se congela primero. Ya podrás comenzar a darte cuenta que conocer la temperatura de un fluido puede ser importante en la aerodinámica. Como ya se mencionó en la sección de Medidas, la temperatura tiene unidades de grados Fahrenheit (F) o grados centígrados (C).

Presión

La presión de un fluido es importante. Conforme un sustancia fluye a lo largo de un objeto, va empujando ligeramente sobre la superficie (es decir, va ejerciendo presión sobre la superficie del objeto). Pequeños "empujones" sobre una superficie de gran tamaño pueden dar como resultado una fuerza de gran magnitud! La presión de aire disminuye conforme aumenta la altura. La presión del agua crece a medida que aumenta la profundidad. La presión también disminuye cuando la velocidad del fluido aumenta. El aire o el agua caliente se expande, aumentando de este modo la presión. Es muy importante conocer y entender la presión a la que están expuestos los barcos y los aviones.

Densidad

Todo objeto tiene masa. Esto quiere decir que está compuesto de moléculas. Las moléculas son las partes más pequeñas de un cuerpo. La densidad es una medida de cuántas moléculas hay en un "objeto" y qué tan pegadas se encuentran unas de otras. La densidad del agua es mayor que la del aire.

Cierto tipo de materia, como el aire, se puede comprimir de modo que ocupe menos espacio, o puede espandirse para ocupar un espacio más grande. El agua, en cambio, no se puede complir.

Cuando la presión o la temperatura de un fluido cambia, la densidad también cambia. Las moléculas se juntan o se alejan unas de otras.

Viscosidad

La viscosidad indica qué tan rápida o lentamente fluye una sustancia. Por ejemplo, si derramas agua sobre una tabla inclinada, el agua correrá rápidamente hacia abajo. Sin embargo, si derramas miel sobre la misma tabla, la miel se moverá mucho más lentamente. Esto quiere decir que la viscosidad de la miel es mucho mayor que la del agua.

Fuerza

Las fuerzas son "empujones" o "tirones" que se ejercen sobre un objeto. Estas fuerzas pueden ser producidas por la presión del viento, la presión del agua, el peso o la gravedad. Estas fuerzas también pueden ser generadas por el hombre, como en el caso de un motor de propulsión a chorro o un cohete. Pero, en la aerodinámica (e hidrodinámica) nos concentramos en las fuerzas producidas por el aire y el agua.

Una fuerza debe tener dirección. Si empujas, por ejemplo, una caja que esté en el suelo hacia la derecha, se moverá hacia la derecha. Pero si la empujas hacia abajo, no lograrás que se mueva porque el suelo lo impedirá. Es muy importante saber la dirección en la que una fuerza está actuando.

Peso y gravedad

Recuerda que la masa representa la cantidad de moléculas que se encuentran acumuladas en cierta área. En otros países la masa se mide en gramos o kilogramos. En los Estados Unidos la gente usa unidades de peso para referirse también a la masa de un objeto. Esto está bien a nivel del mar porque la gravedad es la misma en cualquier lugar. Sin embargo, si tomamos un objeto que pesa 10 libras a nivel del mar y lo llevamos a la atmósfera superior donde la fuerza de la gravedad es menor, el mismo objeto pesará un poco menos (quizás 9.5 libras). La masa, sin embargo, no cambia. Los científicos utilizan diferentes unidades para separar la masa y el peso: libras masa y libras fuerza (el peso es una fuerza causada por la gravedad).

Velocidad

Cuando vas en un coche, puedes fijarte en el velocímetro para darte cuenta que tan rápidamente vas viajando. A esto se le llama velocidad. Sus unidades son millas por la hora (mph) o kilómetros por la hora (kph). Si recorres 120 millas en 2 horas, tu velocidad promedio es de 60mph (120 millas divididas por 2 horas).

Aceleración

Si un coche que está detenido comienza a moverse y aumenta su velocidad de cero mph a 60 mph, a esto se llama aceleración. Si el vehículo sigue viajando a 60 mph durante 10 minutos, no hay aceleración durante ese tiempo porque la velocidad no cambia. Si un coche está disminuyendo la velocidad, a esto se llama desaceleración.

Diferentes maneras en la que se mueve el aire

Una persona que diseña aviones (ingeniero aerodinámico) debe saber varias cosas. Esta sección define palabras y conceptos necesarios para entender la forma en la que un fluido (aire o agua) se mueve dentro o alrededor de un objeto, como las alas de un avión.

Velocidad del sonido

El sonido viaja en ondas invisibles a una velocidad de aproximadamente 760 millas por la hora (mph). Si te encontraras lejos del lugar donde ocurriera una explosión, la podrías ver antes de escucharla porque les lleva tiempo a las ondas del sonido (ondas acústicas) viajar hasta tu oído. A la velocidad del sonido también se le llama Mach 1. El doble de la velocidad del sonido serí entonces Mach 2.

Para que un avión viaje a una velocidad superior a Mach 1, debe ser diseñado de una manera especial. Cuando un avión se cerca a esta velocidad (Mach 1), la presión del aire aumenta enormemente. El avión debe ser capaz de "romper" esta barrera del sonido. Si el avión logra atravesar la barrera del sonido, se dice que ha alcanzado vuelo supersónico. Cuando esto sucede, una onda de choque se esparce en todas direcciones. La primera persona que logró atravesar la barrera del sonido fue el capitán Charles Yeager en 1947, mientras piloteaba un avión experimental, el Bell XS-1. Hoy en día, muchos aviones pueden volar a velocidades supersónicas.

Fricción

Es difícil empujar una caja pesado a lo largo de una alfombra. Esto se debe a la resistencia llamada fricción. Resulta mucho más fácil empujar la misma caja a través de un suelo liso de madera, aunque aún hay fricción inmóvil. Cuando el aire pasa sobre las alas de un avión, también hay fricción. Un ingeniero aerodinámico debe saber cómo diseñar las alas para que haya la menor cantidad de fricción posible. Aplican las mismas reglas cuando el agua pasa sobre un objeto, tal como el casco de una nave.

Capas de fluido

Cuando un fluido (aire o agua, por ejemplo) corre sobre una superficie (las alas de un avión o el casco de un barco), la fricción hace que sucedan cosas interesantes. En la superficie, el fluido deja de moverse. Otra capa de fluido que se mueve lentamente se forma encima de la primera capa. Luego más capas de fluido se forman, una encima de la otra. Cada una que se mueve más rápidamente que la anterior hasta que la capa superior se encuentra moviéndose a la velocidad original del fluido exterior.

Algunas superficies permiten que las capas de fluido que se forman sean lisas y ordenadas. A esto se le llama capa laminar. Sin embargo, la mayor parte del tiempo otra capa es la que se desarrolla: capa turbulenta (que es lo contratio a una capa lisa y ordenada). Los ingenieros aerodinámicos debe intentar diseñar superficies (alas o cascos) que reduzcan la turbulencia o desorden.

Separación del flujo

A veces las capas que se encuentran cerca de la superficie de las alas se ven obligadas a alejarse de la superficie. A esto se le llama separación. A los pilotos e ingenieros por lo general no les agrada que esto ocurra porque la separación del flujo puede causar pérdida de sustentación. Si esta pérdida no se corrige a tiempo, el avión puede estrellarse. A veces se utiliza una pérdida de sustentación controlada justo antes de aterrizar un avión, para que las ruedas hagan contacto con la pista suavemente.

Flotabilidad

Cuando se deja caer algo al agua, o flota o se hunde. Si flota, es porque el objeto pesa menos que el agua desplazada por dicho objeto. Pero si se hunde, es porque el objeto pesa más que el agua desplazada.

Por lo general, la flotabilidad es solamente un fenómeno que ocurre en el agua. La mayoría de los objetos no poseen flotabilidad en aire. Sin embargo, los globos y dirigibles muy grandes sí tienen flotabilidad en aire. Los diseñadores de buques y barcos deben conocer las reglas de flotabilidad cuando diseñan o construyen vehículos acuáticos.

Ondas de choque

Cuando un avión alcanza la velocidad del sonido, se generan ondas de choque en todas direcciones. Si el avión se encuentra cerca del suelo, iexcl;las ondas de choque pueden sacudir edificios y romper ventanas! Los aviones generalmente vuelan a gran altura de manera que las ondas de choque son desintegradas o debilitadas por los vientos antes de golpear el suelo.

Leyes

Los científicos y los ingenieros deben entender ciertas leyes sobre cómo fluye el aire para hacer que el vuelo sea posible. Por ejemplo, deben saber que cuando se calienta, el aire se expande (el volumen aumenta) y su presión aumenta.

En el siglo XVIII, Daniel Bernoulli descubrió que cuando el aire corre rápidamente sobre una superficie (tal como la de una ala), la presión del aire disminuye. Y cuando la velocidad del aire disminuye, la presión aumenta. Bernoulli pudo resumir estas observaciones en una fórmula matemática (el teorema de Bernoulli). En la actualidad, las alas están diseñadas para aumentar la velocidad del aire sobre la superficie superior y para disminuirla en la parte inferior. Esto produce sustentación, que es lo que mantiene al avión en el aire.

Fuerzas del vuelo

Existen, básicamente, cuatro fuerzas que se generan durante el vuelo: sustentación, resistencia, empuje y peso. La figura de abajo muestra cómo es que estas cuatro fuerzas se relacionan entre sí para lograr que el avión se mantenga en equilibrio mientras vuela. La fuerza de sustentación apunta hacia arriba, en sentido opuesto al peso. El empuje impulsa al avión hacia adelante, pero la fuerza de resistencia se opone al vuelo. La fuerza de sustentación debe ser mayor que el peso y el empuje más poderoso que la fuerza de resistencia para que el avión pueda comenzar a volar.

Peso

El peso es el resultado de la gravedad. La gravedad es una fuerza natural que hace que los cuerpos, incluyendo los aviones, sean atraídos hacia la tierra. Por lo tanto, la dirección del peso es hacia abajo.

Sustentación

La fuerza que empuja a un objeto hacia arriba en dirección opuesta al peso es la sustentación. En el caso de un avión o un pájaro, la elevación es creada por el movimiento del aire alrededor de las alas. El aire que se mueve sobre la ala lo hace con una velocidad distinta al aire que se mueve por debajo de la ala, creando así la sustentación. Hay dos maneras de lograr que esto suceda. Las alas pueden tener una superficie superior curvada y una superficie inferior más plana. Esto hace que el aire que fluye sobre la superficie superior de la ala se mueva más rápidamente. Y esto crea sustentación. O también se puede utilizar una ala plana y hacer que vuele con un ángulo de ataque con respecto al viento. Esta ala inclinada hace que el aire se mueva más rápidamente sobre ella, creando sustentación.

Las alas de los aviones modernos tiene una superficie superior curvada. La ilustración de abajo muestra dos tipos de líneas aerodinámicas; unas pasan sobre la ala y otras por debajo. El aire que corre más rápidamente hace que la presión baje en la parte superior de la ala, mientras que el aire más lento crea una presión más alta en la parte inferior de la ala. Las dos juntas hacen que se produzca la sustentación.

Según la tercera ley de Newton, para cada acción hay una reacción de igual magnitud, pero en dirección contraria. Por lo tanto, si las alas de un avión empujan el aire hacia abajo, la reacción resultante es un empuje hacia arriba del aire sobre las alas. Los aviones que tienen alas planas (en lugar de alas combadas o curvadas) deben inclinarlas para poder producir sustentación.

Por lo general, entre más rápidamente va volando un avión, mayor es la sustentación que se genera. Si la velocidad aumenta al doble, ¡la elevación aumenta cuatro veces!

Los coches de carreras también hacen uso de la sustentación. Sin embargo, ésta es sustentación negativa porque el perfil aerodinámico de las alas que usan estos coches produce sustentación que apunta hacia abajo. Esto ayuda a que los autos de carreras mantengan contacto con la pista cuando toman las curvas a alta velocidad.

Empuje

El empuje es generado por los motores del avión (o el aleteo de los pájaros). Los motores pueden usarse para hacer que hélices propulsoras den vuelta a gran velocidad o pueden ser motores de propulsión a chorro que expulsan gases calientes por la parte posterior. Si el empuje es lo suficientemente grande, logrará superar el peso del avión y la resistencia del aire, y el avión podrá volar.

Resistencia del aire

La fuerza de resistencia actúa en contra del empuje y retarda el movimiento del avión.

Hay cuatro tipos de resistencia:

Fricción - Conforme un avión viaja a través del aire, el aire debe circular alrededor del avión. El aire "roza" contra la piel metálica del avión. Esto tiende a retardar el movimiento del avión.

Resistencia de forma - La forma que tiene un avión hace que haya más o menos fricción. Si el avión tienen una forma "aerodinámica", el aire pasará alrededor de él con menos resistencia. Piensa por ejemplo en un trailer o un autobús. La parte plana de enfrente no es aerodinámica. Esto crea más resistencia y, por lo tanto, hace que se gaste más gasolina. Saca la mano por la ventana de un coche, con la palma hacia adelante; éste es un ejemplo de la forma que tiene la parte de enfrente de un trailer o un autobús. ¡Siente la resistencia del aire!

Resistencia inducida - Cuando las alas crean sustentación, también crean resistencia.

Resistencia de onda de choque - Cuando un avión viaja cerca a la velocidad del sonido o más rápidamente, el flujo del aire que corre alrededor del avión cambia, generándose una resistencia adicional.

Resumen

Las cuatro fuerzas del vuelo, el peso, la sustentación, el empuje, y la resistencia del aire son bien conocidas por los pilotos. Los pilotos de acrobacias aéreas utilizan estas fuerzas para divertir a la gente con sus piruetas espectaculares. Pueden hacer que el avión se detenga (pérdida de sustentación) en el aire y dejarlo caer en picada, y luego recuperarse en el último minuto y comenzar a volar otra vez normalmente. Estos pilotos también pueden apuntar el avión directamente hacia arriba y volar de esta manera hasta que el peso se vuelve mayor que el empuje y el avión comienza a caer de nuevo hacia la tierra. El piloto entonces vuelve a recobrar el control del avión para generar otra vez sustentación y volver a volar normalmente.

 

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