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Hoy os voy a hablar de diseño aeronáutico. Esto podría ser una entrega más de "¿Por qué los aviones son como son?", pero recordemos que aquellas eran una "evolución histórica en imágenes", y como hoy no tengo intención de seguir el cauce de la historia, sino de hablar de un tema concreto, pues he decidido hacer esta entrada independientemente de aquella serie (podéis ver las actuales dos entregas aquí, y aquí)La regla del área es una idea muy sencilla planteada por Richard T. Whitcomb. Es una regla que se tiene en cuenta a la hora de diseñar aviones para hacerlos más eficientes a velocidades próximas a la del sonido. Pero antes de definir la regla en sí misma, hablemos de la aerodinámica a la velocidad del sonido.
Como ya conté, cuando un fluído atraviesa un conducto de sección variable, su velocidad y presión varían, de forma inversamente proporcional (Bernouilli). Según el número de Mach que se lleve, esa variación es de una forma u otra:
Como podéis imaginar, si tenemos M=1... pasan cosas muy raras. La presión va aumentando, y luego derepente baja de golpe... En fin, cosas raras que tuvieron muy inquietos a los ingenieros allá por los años 50 y 60.
En particular para el tema que nos ocupa, la resistencia de un avión depende de la velocidad del mismo. A mayor velocidad, mayor resistencia, y viceversa. Pero, ¡oh maravilla!, cuando la velocidad se acerca mucho a la del sonido, se produce un salto grandísimo en la resistencia. Como ya podéis ver, el tema de alcanzar la velocidad del sonido es muy chungo. Ese salto de resistencia se creía insuperable, porque nadie había conseguido superar M=1:
En esta imagen podéis ver que a partir de un número de Mach concreto (llamado Mach de divergencia) el salto en la resistencia es espectacular. También podéis ver cómo afecta la forma del perfil (t es espesor, y c es cuerda, como a lo mejor recordáis).
Sin embargo, cuando se alcanzó M=1, y se superó, se observó que la cosa era así:
Tras superar la velocidad del sonido (M=1), la resistencia baja, y eso es un alivio... Pero resulta que los aviones comerciales, van a velocidades inferiores a M=1, pero bastante cerca, en torno a M=0,7 o 0,8.
Es decir, un avión comercial trabaja en unas condiciones de resistencia muy desfavorables.
La resistencia se puede dividir en varias componentes, que sumadas dan la resistencia total. Algunas de estas componentes son la "resistencia inducida", o la "resistencia de Onda".
A velocidades próximas a M=1, la componente que más contribuye a la resistencia total es la resistencia de Onda que se da en regiones donde localmente la velocidad del aire ya es supersónica (¿?. Sí, en vuelo, hay zonas del avión donde el aire se mueve más rápidamente que en otras...) En vuelo supersónico, la resistencia de onda es causada por la interacción que se desarrolla entre las ondas de choque en las superficies y por las pérdidas de presión producidas por las mismas. Es por esta puñetera resistencia por la que se tardó tanto en superar la "barrera del sonido".
Así que el trabajo del diseñador a la hora de diseñar un avión transónico está claro: conseguir que la resistencia de onda se minimice. Y ahí es donde entra la regla del área.
Fue Richard T. Whitcomb quien la formuló. Y lo que dice la dichosa regla es que las diferentes secciones transversales del avión deben variar de forma suave, para minimizar la resistencia de onda.
Es decir, si cogéis un cuchillo y vais cortando "rodajas" de avión, las áreas de las rodajas deben variar de forma suave, es decir, una rodaja debe tener un área muy similar a la siguiente rodaja, no debe haber una diferencia excesiva.
Y con esta cosa tan sencilla y tan tonta, la resistencia de onda se minimiza. No importa casi la forma, simplemente que ésta varíe suavemente de sección transversal a lo largo del eje longitudinal del avión. Curioso, ¿eh?
Este cambio suave de la sección se puede variar no sólo haciendo el fuselaje con forma de "botella de coca-cola", como en estas imágenes que he puesto, si no que también se consigue, por ejemplo, en la famosa joroba del 747, o adelantando la posición de los motores (aunque sería estructuralmente más fácil colgar el motor debajo del ala, no tan adelantados), el carenado del mecanismo de los flaps también se hace pensando en la regla del área, y también esos curiosos puros que tienen algunos aviones en la punta de las alas (y que no, no son bombas).
Como postdata, decir que el avión de la última foto es un Hispano Aviación Ha-200 Saeta, el primer reactor ESPAÑOL. Es del año 1951. He usado esta foto para mostrar lo de los "puros de la punta de las alas", aunque el saeta en concreto no llegaba a las velocidades transónicas.
Un saludo, espero que os haya gustado. Me ha costado mucho escribir esta entrada, la próxima será más divertida de leer (y de escribir).
Como podéis imaginar, si tenemos M=1... pasan cosas muy raras. La presión va aumentando, y luego derepente baja de golpe... En fin, cosas raras que tuvieron muy inquietos a los ingenieros allá por los años 50 y 60.
En particular para el tema que nos ocupa, la resistencia de un avión depende de la velocidad del mismo. A mayor velocidad, mayor resistencia, y viceversa. Pero, ¡oh maravilla!, cuando la velocidad se acerca mucho a la del sonido, se produce un salto grandísimo en la resistencia. Como ya podéis ver, el tema de alcanzar la velocidad del sonido es muy chungo. Ese salto de resistencia se creía insuperable, porque nadie había conseguido superar M=1:
En esta imagen podéis ver que a partir de un número de Mach concreto (llamado Mach de divergencia) el salto en la resistencia es espectacular. También podéis ver cómo afecta la forma del perfil (t es espesor, y c es cuerda, como a lo mejor recordáis).
Sin embargo, cuando se alcanzó M=1, y se superó, se observó que la cosa era así:
Tras superar la velocidad del sonido (M=1), la resistencia baja, y eso es un alivio... Pero resulta que los aviones comerciales, van a velocidades inferiores a M=1, pero bastante cerca, en torno a M=0,7 o 0,8.
Es decir, un avión comercial trabaja en unas condiciones de resistencia muy desfavorables.
La resistencia se puede dividir en varias componentes, que sumadas dan la resistencia total. Algunas de estas componentes son la "resistencia inducida", o la "resistencia de Onda".
A velocidades próximas a M=1, la componente que más contribuye a la resistencia total es la resistencia de Onda que se da en regiones donde localmente la velocidad del aire ya es supersónica (¿?. Sí, en vuelo, hay zonas del avión donde el aire se mueve más rápidamente que en otras...) En vuelo supersónico, la resistencia de onda es causada por la interacción que se desarrolla entre las ondas de choque en las superficies y por las pérdidas de presión producidas por las mismas. Es por esta puñetera resistencia por la que se tardó tanto en superar la "barrera del sonido".
Así que el trabajo del diseñador a la hora de diseñar un avión transónico está claro: conseguir que la resistencia de onda se minimice. Y ahí es donde entra la regla del área.Fue Richard T. Whitcomb quien la formuló. Y lo que dice la dichosa regla es que las diferentes secciones transversales del avión deben variar de forma suave, para minimizar la resistencia de onda.
Es decir, si cogéis un cuchillo y vais cortando "rodajas" de avión, las áreas de las rodajas deben variar de forma suave, es decir, una rodaja debe tener un área muy similar a la siguiente rodaja, no debe haber una diferencia excesiva.
Y con esta cosa tan sencilla y tan tonta, la resistencia de onda se minimiza. No importa casi la forma, simplemente que ésta varíe suavemente de sección transversal a lo largo del eje longitudinal del avión. Curioso, ¿eh?
Este cambio suave de la sección se puede variar no sólo haciendo el fuselaje con forma de "botella de coca-cola", como en estas imágenes que he puesto, si no que también se consigue, por ejemplo, en la famosa joroba del 747, o adelantando la posición de los motores (aunque sería estructuralmente más fácil colgar el motor debajo del ala, no tan adelantados), el carenado del mecanismo de los flaps también se hace pensando en la regla del área, y también esos curiosos puros que tienen algunos aviones en la punta de las alas (y que no, no son bombas).
Como postdata, decir que el avión de la última foto es un Hispano Aviación Ha-200 Saeta, el primer reactor ESPAÑOL. Es del año 1951. He usado esta foto para mostrar lo de los "puros de la punta de las alas", aunque el saeta en concreto no llegaba a las velocidades transónicas.
Un saludo, espero que os haya gustado. Me ha costado mucho escribir esta entrada, la próxima será más divertida de leer (y de escribir).
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