Diseño de un perfil aerodinámico.

Principio de Bernoulli de presión diferencial
Medio siglo después de que Newton formuló sus leyes, Daniel Bernoulli, un matemático suizo, explicó cómo la presión de un fluido en movimiento (líquido o gas) varía con la velocidad del movimiento. El principio de Bernoulli establece que cuando la velocidad de un fluido en movimiento (líquido o gas) se incrementa, la presión dentro del líquido disminuye.

Este principio explica lo que sucede cuando el aire pasa por la parte superior curvada del ala de un avión.
Una aplicación práctica del Principio de Bernoulli es el tubo venturi. El tubo venturi tiene una entrada de aire que se reduce en una garganta (punto de constricción) y una sección de salida que aumenta el diámetro hacia la parte posterior. El diámetro de la salida es el mismo que el de entrada. En la garganta, el flujo de aire se acelera y disminuye la presión; a la salida, el flujo de aire disminuye y la presión aumenta.

Como el aire es reconocido como un cuerpo y se acepta que se debe seguir las leyes mencionadas, se puede empezar a ver cómo y por qué el ala de un avión desarrolla sustentación. A medida que el ala se mueve por el aire, aumenta la velocidad del flujo de aire sobre la superficie curva superior creando un área de baja presión.

A pesar de que Newton, Magnus, Bernoulli, y cientos de otros científicos que estudiaron las leyes físicas del universo no tenían los laboratorios sofisticados disponibles hoy, iniciaron el camino a la visión contemporánea de cómo es creada la sustentación.

Diseño de un perfil aerodinámico
Un perfil aerodinámico es una estructura diseñada para obtener una reacción sobre su superficie a partir del aire a través del cual se mueve. El aire actúa de diversas formas cuando es sometido a diferentes presiones y velocidades. Al observar un perfil típico, tales como la sección transversal de un ala, se pueden ver algunas características obvias de diseño.

Tenga en cuenta que hay una diferencia en las curvaturas de las superficies superior e inferior del perfil. La curvatura de la superficie superior es más pronunciada que la de la superficie inferior, que normalmente es bastante plana.

NOTA: Los dos extremos del perfil aerodinámico también difieren en su apariencia. El extremo que mira hacia delante en vuelo, se llama borde de ataque, y es redondeado; el otro extremo, el borde de salida, es bastante estrecho y afilado.

Una línea de referencia de uso frecuente en la discusión de perfiles es la línea de la cuerda, una línea recta trazada a través del perfil de conectando los extremos de los bordes de ataque y salida.

La distancia de esta línea de cuerda a las superficies superior e inferior del ala denota la magnitud de la curvatura superior e inferior. Otra línea de referencia, a partir del borde de ataque al de salida, es la línea de curvatura media. Esta línea media es equidistante en todos los
puntos de las superficies superior e inferior.

Una perfil está construido de tal manera que su forma se aprovecha de la respuesta del aire a ciertas leyes físicas. Esto desarrolla dos acciones en la masa de aire: una presión positiva de la masa de aire actuando debajo del ala, y una acción de presión negativa actuando sobre el ala.

A medida que la corriente de aire golpea la superficie inferior relativamente plana de un ala o pala de rotor en un ángulo pequeño con la dirección del movimiento, el aire es forzado a rebotar hacia abajo, causando una reacción hacia arriba de sustentación positiva. Al mismo tiempo, la corriente de aire golpeando la parte superior curvada del borde de ataque se desvía hacia arriba. Un perfil está formado para provocar una acción del aire, y fuerza al aire hacia abajo, lo que provoca una reacción igual del aire, forzando al perfil hacia arriba. Si un ala se construye de tal forma que provoca una fuerza de sustentación mayor que el peso de la aeronave, el avión vuela.

Si toda la sustentación requerida se obtiene sólo a partir de la desviación de aire de la superficie inferior del ala, el avión sólo necesita un ala plana como un barrilete. Sin embargo, el balance de sustentación necesaria para soportar la aeronave viene del flujo de aire sobre el ala. Aquí está la clave para volar.

No es exacto ni útil asignar valores específicos para el porcentaje de sustentación generado por la superficie superior de un perfil en comparación con el generado por la superficie inferior. Estos valores no son constantes y varían, no sólo con las condiciones de vuelo, sino también con diferentes diseños de alas.

Diferentes perfiles tienen diferentes características de vuelo. Miles de perfiles han sido probados en túneles de viento y en vuelo real, pero no se ha encontrado un perfil que satisfaga todas las necesidades del vuelo. El peso, velocidad, y propósito de cada aeronave dictan la forma de su perfil. El perfil más eficiente para la producción de sustentación es el que tiene una superficie inferior cóncava. Como diseño fijo, este tipo de perfil sacrifica demasiada velocidad, mientras produce sustentación y no es adecuado para vuelos de alta velocidad. Los avances en ingeniería han hecho posible que hoy los jets de alta velocidad tomen ventaja de los perfiles cóncavos de alta sustentación.

Los flaps de borde de ataque (Krueger) y flaps del borde de fuga (Fowler), cuando se extienden a partir de la estructura del ala, literalmente cambian el perfil a la forma cóncava clásica, generando mucha mayor sustentación durante las condiciones del vuelo lento.

Por otro lado, un perfil que es perfectamente aerodinámico y ofrece poca resistencia al viento a
veces no tiene suficiente fuerza de sustentación para levantar el avión del suelo. Por lo tanto, los aviones modernos tienen perfiles que están en medio de los diseños extremos. La forma varía de acuerdo a las necesidades del avión para el que fue diseñado. A continuación se muestra algunos de los perfiles más comunes.

Baja presión superior
En un túnel de viento o en vuelo, un perfil es simplemente un objeto aerodinámico dentro de una
corriente de aire en movimiento. Si el perfil aerodinámico fuese de una forma de gota de agua, los cambios de velocidad y presión del aire que pasa sobre la parte superior e inferior sería el mismo en ambos lados. Pero si este perfil se cortara a la mitad longitudinalmente, daría lugar a una forma semejante a un perfil básico (ala). Si el perfil fuera inclinado de modo que el flujo de aire golpee en ángulo (ángulo de ataque, AOA), el aire moviéndose sobre el extradós se vería obligado a moverse más rápido que el aire que se mueve a lo largo de la parte inferior (intradós). Este aumento de velocidad reduce la presión sobre el perfil.

Aplicando el Principio de Bernoulli, el aumento de la velocidad del aire en la parte superior de un perfil produce una caída de presión. Esta baja presión es un componente de la sustentación total.

La diferencia de presión entre las superficies superior e inferior de un ala por sí sola no produce la fuerza de sustentación total.

El flujo hacia abajo y atrás desde la superficie superior de un perfil aerodinámico crea una corriente descendente. Esta corriente se une con el flujo de la parte inferior del perfil en el borde de salida.

Aplicando la tercera ley de Newton, la reacción de este flujo hacia atrás y abajo resulta en una fuerza hacia arriba y adelante en el perfil.

Alta presión inferior
Una cierta cantidad de sustentación es generada por las condiciones de presión debajo del perfil.

Debido a la forma en que el aire fluye por debajo del perfil, se produce una presión positiva, sobre todo a mayores ángulos de ataque. Pero hay otro aspecto de este flujo de aire que debe ser considerado. En un punto cercano al borde de ataque, el flujo de aire prácticamente se detiene (punto de estancamiento) y luego aumenta gradualmente la velocidad. En un punto cerca del borde de salida, de nuevo se llega a una velocidad igual a la de la superficie superior. De conformidad con el principio de Bernoulli, donde se redujo el flujo de aire debajo del perfil, se crea una presión positivo hacia arriba, es decir, a medida que disminuye la velocidad de fluido, la presión debe aumentar. Dado que la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del perfil es mayor, aumenta el total de sustentación. Tanto el Principio de Bernoulli como las leyes de Newton están en funcionamiento cada vez que un perfil genera sustentación.

Distribución de la presión
Partiendo de experimentos realizados en modelos en túneles de viento y en aviones de tamaño completo, se ha determinado que a medida que el aire fluye a lo largo de la superficie de un ala en diferentes ángulos de ataque, hay regiones a lo largo de la superficie donde la presión es negativa o menor que la atmosférica, y regiones donde la presión es positiva, o mayor que la atmosférica.

Esta presión negativa en la superficie superior crea una fuerza relativamente mayor en el ala que la causada por la presión positiva que resulta del aire que golpea la superficie inferior del ala.

A continuación se muestra la distribución de la presión a lo largo de un perfil a tres diferentes ángulos de ataque.

El promedio de la variación de presión para cualquier ángulo de ataque se conoce como el centro de presión (CP). La fuerza aerodinámica actúa en este CP. A altos ángulos de ataque, el CP se mueve hacia adelante, mientras que a bajos ángulos de ataque el CP se mueve hacia atrás. En el diseño de estructuras de alas, este desplazamiento del CP es muy importante, ya que afecta a la posición de las cargas del aire impuestas a la estructura del ala en condiciones de Distribución de presión en un perfil alar y cambios en el CP a diferentes AOA. AOA bajo y alto. El equilibrio aerodinámico de un avión y la capacidad de control se rigen por los cambios en el CP.

Comportamiento de un perfil
A pesar de que se pueden citar ejemplos concretos en el que cada uno de los principios puede predecir y contribuir a la formación de sustentación, ésta es un tema complejo. La producción de sustentación es mucho más compleja que una simple diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del perfil. De hecho, muchos perfiles no tienen una superficie superior más larga que la inferior, como en el caso de los perfiles simétricos. Estos se ven en aeronaves de alta velocidad con alas simétricas, o en las palas de rotor simétricas de muchos helicópteros cuyas superficies superior e inferior son idénticas. En ambos ejemplos, la relación del perfil con la corriente de aire que se aproxima (ángulo) es lo único que es diferente. Un avión de papel, que es simplemente una placa plana, tiene una parte inferior y superior exactamente de la misma forma y longitud. Aún así, estos perfiles crean sustentación, y el flujo circulante es en parte (o totalmente) responsable de la creación de sustentación.

A medida que un perfil se mueve a través del aire, se inclina en contra de la corriente de aire, produciendo un flujo diferente causado por la relación del perfil con el aire que se acerca. Piense en una mano colocada fuera de la ventana de un auto a alta velocidad. Si la mano se inclina en una dirección u otra, la mano se mueva hacia arriba o hacia abajo. Esto es causado por deflexión, que a su vez hace que el aire gire alrededor del objeto dentro de la corriente de aire. Como resultado de este cambio, la velocidad del objeto cambia, tanto en magnitud como en dirección, resultando a su vez en una fuerza de velocidad y dirección medible.

Una tercera dimensión
Hasta este punto, la discusión se ha centrado en el flujo sobre las superficies superior e inferior de un perfil aerodinámico. Mientras que la mayoría de la sustentación se produce por estas dos dimensiones, una tercera dimensión, la punta del perfil también tiene un efecto aerodinámico. El área de alta presión en la parte inferior de un perfil aerodinámico empuja alrededor de la punta hacia el área de baja presión en la parte superior.

Esta acción crea un flujo giratorio llamado vórtice de punta. El vórtice fluye detrás del perfil creando una corriente descendente que se extiende hasta el borde de salida del perfil. Esta corriente descendente resulta en una reducción general de la sustentación en la parte del perfil afectada.

Los fabricantes han desarrollado diferentes métodos para contrarrestar esta acción. Winglets pueden ser agregados a la punta de un perfil aerodinámico para reducir este flujo. Estas aletas actúan previniendo la formación del vórtice. Los winglets pueden estar en la parte superior o inferior del perfil. Otro método para contrarrestar el flujo es afinar la punta del perfil, reduciendo la diferencia de presión y suavizando el flujo de aire alrededor de la punta.

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration