La aerodinámica es una rama de la dinámica que estudia el movimiento del aire . Es un subcampo de la dinámica de fluidos y gases , y el término "aerodinámica" se utiliza a menudo para referirse a la dinámica de fluidos.
Los primeros registros de conceptos aerodinámicos fundamentales se remontan al trabajo de Aristóteles y Arquímedes en los siglos II y III a. C., pero los esfuerzos por desarrollar una teoría cuantitativa del flujo de aire no comenzaron hasta el siglo XVIII. En 1726, Isaac Newton se convirtió en uno de los primeros aerodinámicos en el sentido moderno cuando desarrolló una teoría de la resistencia del aire que luego se verificó para velocidades de flujo bajas. Los investigadores realizaron experimentos de resistencia del aire a lo largo de los siglos XVIII y XIX, con la ayuda de la construcción del primer túnel de viento en 1871. En su publicación Hydrodynamica de 1738 , Daniel Bernoulli describió una relación fundamental entre la presión, la velocidad y la densidad, ahora denominada principio de Bernoulli , que proporciona un método para explicar la sustentación .
Los trabajos de aerodinámica realizados a lo largo del siglo XIX se propusieron conseguir vuelos más pesados que el aire . George Cayley desarrolló el concepto de la aeronave moderna de ala fija en 1799 y, al hacerlo, identificó las cuatro fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación , empuje , resistencia y peso . El desarrollo de predicciones razonables del empuje necesario para propulsar el vuelo, junto con el desarrollo de perfiles aerodinámicos de alta sustentación y baja resistencia, allanó el camino para el primer vuelo propulsado. El 17 de diciembre de 1903, Wilbur y Orville Wright volaron con éxito el primer avión propulsado. El vuelo y la publicidad que recibió dieron lugar a una colaboración más organizada entre aviadores y aerodinamistas, lo que abrió el camino a la aerodinámica moderna.
Los avances teóricos en aerodinámica se produjeron en paralelo a los prácticos. Se descubrió que la relación descrita por Bernoulli era válida solo para flujos incompresibles y no viscosos. En 1757, Leonhard Euler publicó las ecuaciones de Euler , extendiendo el principio de Bernoulli al régimen de flujo compresible. A principios del siglo XIX, el desarrollo de las ecuaciones de Navier-Stokes amplió las ecuaciones de Euler para tener en cuenta los efectos viscosos . Durante la época de los primeros vuelos, varios investigadores desarrollaron teorías independientes que conectaban la circulación del flujo con la sustentación. Ludwig Prandtl se convirtió en una de las primeras personas en investigar las capas límite durante esta época.
Aunque la teoría moderna de la ciencia aerodinámica no surgió hasta el siglo XVIII, sus fundamentos comenzaron a surgir en la antigüedad. El supuesto fundamental de la continuidad de la aerodinámica tiene su origen en el Tratado de los cielos de Aristóteles , aunque Arquímedes , trabajando en el siglo III a. C., fue la primera persona en afirmar formalmente que un fluido podía tratarse como un continuo. [1] Arquímedes también introdujo el concepto de que el flujo de fluidos era impulsado por un gradiente de presión dentro del fluido. [2] [3] Esta idea resultaría más tarde fundamental para la comprensión del flujo de fluidos.
En 1687, los Principia de Newton presentaron las leyes de Newton del movimiento , el primer enfoque teórico completo para comprender los fenómenos mecánicos. En particular, la segunda ley de Newton , un enunciado de la conservación del momento , es uno de los tres principios físicos fundamentales utilizados para obtener las ecuaciones de Euler y las ecuaciones de Navier-Stokes .
En 1738, el matemático holandés - suizo Daniel Bernoulli publicó Hydrodynamica , en la que describió la relación fundamental entre la presión y la velocidad, conocida hoy como el principio de Bernoulli . [4] Este establece que la presión de un fluido que fluye disminuye a medida que aumenta su velocidad y, como tal, fue un avance temprano significativo en la teoría de la dinámica de fluidos , y se cuantificó por primera vez en una ecuación derivada por Leonhard Euler . [5] Esta expresión, a menudo llamada ecuación de Bernoulli , relaciona la presión, la densidad y la velocidad en dos puntos a lo largo de una línea de corriente dentro de un fluido que fluye de la siguiente manera:
La ecuación de Bernoulli ignora la compresibilidad del fluido, así como los efectos de la gravedad y las fuerzas viscosas sobre el flujo. Leonhard Euler publicaría las ecuaciones de Euler en 1757, que son válidas tanto para flujos compresibles como incompresibles. Las ecuaciones de Euler se ampliaron para incorporar los efectos de la viscosidad en la primera mitad del siglo XIX, lo que dio lugar a las ecuaciones de Navier-Stokes .
El efecto retardante del aire sobre un objeto en movimiento fue uno de los primeros fenómenos aerodinámicos que se exploraron. Aristóteles escribió sobre la resistencia del aire en el siglo IV a. C., [3] pero carecía de la comprensión necesaria para cuantificar la resistencia que observó. De hecho, Aristóteles sugirió paradójicamente que el movimiento del aire alrededor de una lanza arrojada resistía su movimiento y la impulsaba hacia adelante. [6] En el siglo XV, Leonardo da Vinci publicó el Codex Leicester , en el que rechazó la teoría de Aristóteles e intentó demostrar que el único efecto del aire sobre un objeto lanzado era resistir su movimiento, [7] y que la resistencia del aire era proporcional a la velocidad del flujo, una conclusión falsa que fue apoyada por las observaciones de Galileo en el siglo XVII sobre la descomposición del movimiento del péndulo. [3] Además de su trabajo sobre la resistencia, da Vinci fue la primera persona en registrar una serie de ideas aerodinámicas, incluida la descripción correcta de la circulación de vórtices y el principio de continuidad aplicado al flujo de canal. [3]
La verdadera dependencia cuadrática de la resistencia de la velocidad fue probada experimentalmente de forma independiente por Edme Mariotte y Christiaan Huygens , ambos miembros de la Academia de Ciencias de París, a finales del siglo XVII. [8] Sir Isaac Newton se convirtió más tarde en la primera persona en derivar teóricamente esta dependencia cuadrática de la resistencia del aire a principios del siglo XVIII, [9] convirtiéndolo en uno de los primeros aerodinámicos teóricos. Newton afirmó que la resistencia era proporcional a las dimensiones de un cuerpo, la densidad del fluido y el cuadrado de la velocidad del aire, una relación que se demostró que era correcta para velocidades de flujo bajas, pero que estaba en conflicto directo con los hallazgos anteriores de Galileo. La discrepancia entre el trabajo de Newton, Mariotte y Huygens y el trabajo anterior de Galileo no se resolvió hasta los avances en la teoría del flujo viscoso en el siglo XX.
Newton también desarrolló una ley para la fuerza de arrastre sobre una placa plana inclinada hacia la dirección del flujo del fluido. Utilizando F para la fuerza de arrastre, ρ para la densidad, S para el área de la placa plana, V para la velocidad del flujo y θ para el ángulo de ataque, su ley se expresó como:
Esta ecuación sobreestima la resistencia en la mayoría de los casos y se utilizó a menudo en el siglo XIX para argumentar la imposibilidad del vuelo humano. [3] En ángulos de inclinación bajos, la resistencia depende linealmente del seno del ángulo, no cuadráticamente. Sin embargo, la ley de resistencia de placa plana de Newton produce predicciones de resistencia razonables para flujos supersónicos o placas muy delgadas en ángulos de inclinación grandes que conducen a la separación del flujo. [10] [11]
Los investigadores llevaron a cabo experimentos de resistencia del aire a lo largo de los siglos XVIII y XIX. Las teorías de arrastre fueron desarrolladas por Jean le Rond d'Alembert , [12] Gustav Kirchhoff , [13] y Lord Rayleigh . [14] Las ecuaciones para el flujo de fluidos con fricción fueron desarrolladas por Claude-Louis Navier [15] y George Gabriel Stokes . [16] Para simular el flujo de fluidos, muchos experimentos implicaban sumergir objetos en corrientes de agua o simplemente dejarlos caer desde lo alto de un edificio alto. Hacia el final de este período de tiempo, Gustave Eiffel usó su Torre Eiffel para ayudar en la prueba de caída de placas planas.
Una forma más precisa de medir la resistencia es colocar un objeto dentro de una corriente de aire artificial y uniforme donde se conoce la velocidad. La primera persona en experimentar de esta manera fue Francis Herbert Wenham , quien al hacerlo construyó el primer túnel de viento en 1871. Wenham también fue miembro de la primera organización profesional dedicada a la aeronáutica, la Royal Aeronautical Society del Reino Unido . Los objetos colocados en modelos de túnel de viento son casi siempre más pequeños que en la práctica, por lo que se necesitaba un método para relacionar los modelos a pequeña escala con sus contrapartes de la vida real. Esto se logró con la invención del número de Reynolds adimensional por Osborne Reynolds . [17] Reynolds también experimentó con la transición de flujo laminar a turbulento en 1883.
Sir George Cayley trabajó al menos desde 1796, cuando construyó un modelo de helicóptero, [18] hasta su muerte en 1857, y es considerado la primera persona en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo ( peso , sustentación , resistencia y empuje ) y las relaciones entre ellas. [19] [20] Cayley también es considerado la primera persona en desarrollar el concepto moderno de aeronave de ala fija; aunque las notas de da Vinci contienen dibujos y descripciones de una máquina de vuelo de ala fija más pesada que el aire, las notas de da Vinci estaban desorganizadas y dispersas después de su muerte, y sus logros en aerodinámica no fueron redescubiertos hasta después de que la tecnología había progresado mucho más allá de los avances de da Vinci. [21]
A finales del siglo XIX, se identificaron dos problemas antes de que se pudiera hacer realidad el vuelo de aviones más pesados que el aire. El primero fue la creación de alas aerodinámicas de baja resistencia y alta sustentación. El segundo problema fue cómo determinar la potencia necesaria para un vuelo sostenido. Durante esta época, se sentaron las bases de la dinámica de fluidos y la aerodinámica modernas, mientras otros entusiastas menos inclinados a la ciencia probaban diversas máquinas voladoras con poco éxito.
En 1884, John J. Montgomery , un estadounidense formado en física, empezó a experimentar con diseños de planeadores. Utilizando una mesa de agua con agua circulante y una cámara de humo, empezó a aplicar la física de la dinámica de fluidos para describir los movimientos del flujo sobre superficies curvas como los perfiles aerodinámicos. [22] En 1889, Charles Renard , un ingeniero aeronáutico francés, se convirtió en la primera persona en predecir razonablemente la potencia necesaria para un vuelo sostenido. [23] Renard y el físico alemán Hermann von Helmholtz exploraron la carga alar (relación peso/área del ala) de las aves, concluyendo finalmente que los humanos no podían volar por sus propios medios colocando alas en sus brazos. Otto Lilienthal , siguiendo el trabajo de Sir George Cayley, fue la primera persona en tener mucho éxito con los vuelos en planeador. Lilienthal creía que los perfiles aerodinámicos delgados y curvados producirían una gran sustentación y una baja resistencia.
El libro de Octave Chanute de 1893, Progress in Flying Machines , describió toda la investigación conocida realizada en todo el mundo hasta ese momento. [24] El libro de Chanute brindó un gran servicio a aquellos interesados en la aerodinámica y las máquinas voladoras.
Con la información contenida en el libro de Chanute, la ayuda personal del propio Chanute y la investigación realizada en su propio túnel de viento, los hermanos Wright adquirieron suficientes conocimientos de aerodinámica para volar el primer avión a motor el 17 de diciembre de 1903. El vuelo de los hermanos Wright confirmó o desmintió varias teorías de la aerodinámica. Finalmente se demostró que la teoría de la fuerza de arrastre de Newton era incorrecta. Este primer vuelo ampliamente publicitado dio lugar a un esfuerzo más organizado entre aviadores y científicos, que abrió el camino hacia la aerodinámica moderna.
Durante la época de los primeros vuelos, John J. Montgomery , [25] Frederick W. Lanchester , [26] Martin Kutta y Nikolai Zhukovsky crearon de forma independiente teorías que conectaban la circulación de un flujo de fluido con la sustentación. Kutta y Zhukovsky continuaron desarrollando una teoría de alas bidimensionales. Ampliando el trabajo de Lanchester, a Ludwig Prandtl se le atribuye el desarrollo de las matemáticas [27] detrás de las teorías de perfil aerodinámico delgado y línea de sustentación, así como el trabajo con capas límite . Prandtl, profesor de la Universidad de Göttingen , instruyó a muchos estudiantes que desempeñarían papeles importantes en el desarrollo de la aerodinámica, como Theodore von Kármán y Max Munk .
La compresibilidad es un factor importante en la aerodinámica. A bajas velocidades, la compresibilidad del aire no es significativa en relación con el diseño de aeronaves , pero a medida que el flujo de aire se acerca y supera la velocidad del sonido , una serie de nuevos efectos aerodinámicos se vuelven importantes en el diseño de aeronaves. Estos efectos, a menudo varios de ellos a la vez, hicieron que fuera muy difícil para los aviones de la Segunda Guerra Mundial alcanzar velocidades mucho más allá de los 800 km/h (500 mph).
Algunos de los efectos menores incluyen cambios en el flujo de aire que conducen a problemas de control. Por ejemplo, el P-38 Lightning con su ala gruesa de alta sustentación tenía un problema particular en picadas a alta velocidad que conducía a una condición de morro abajo posteriormente llamada Mach tuck . Los pilotos entraban en picada y luego descubrían que ya no podían controlar el avión, que continuaba inclinando el morro hacia abajo. El problema se solucionó añadiendo un "flap de picado" a la superficie inferior del ala. Esto aumentó la resistencia y alteró significativamente el patrón de flujo alrededor del perfil aerodinámico. [28]
Un problema similar afectó a algunos modelos del Supermarine Spitfire . A altas velocidades, los alerones podían aplicar más par del que podían soportar las delgadas alas del Spitfire, y toda el ala se torcía en la dirección opuesta. Esto significaba que el avión se inclinaba en la dirección opuesta a la que pretendía el piloto, y condujo a una serie de accidentes. Los modelos anteriores no eran lo suficientemente rápidos como para que esto fuera un problema, por lo que no se notó hasta que comenzaron a aparecer modelos posteriores de Spitfire, como el Mk. IX. Esto se mitigó añadiendo una considerable rigidez torsional a las alas, y se solucionó por completo cuando se introdujo el Mk. XIV.
El Messerschmitt Bf 109 y el Mitsubishi Zero tenían el problema exactamente opuesto: los controles se volvían ineficaces. A velocidades más altas, el piloto simplemente no podía mover los controles porque había demasiado flujo de aire sobre las superficies de control. Los aviones se volvían difíciles de maniobrar y, a velocidades suficientemente altas, los aviones sin este problema podían girar más rápido que ellos.
Estos problemas se resolvieron finalmente cuando los aviones a reacción alcanzaron velocidades transónicas y supersónicas . Los científicos alemanes de la Segunda Guerra Mundial experimentaron con alas en flecha . Su investigación se aplicó en el MiG-15 y el F-86 Sabre y en bombarderos como el B-47 Stratojet, que utilizaban alas en flecha que retrasaban la aparición de ondas de choque y reducían la resistencia.
Para mantener el control cerca o por encima de la velocidad del sonido, a menudo es necesario utilizar estabilizadores de cola accionados eléctricamente o alas delta equipadas con elevones accionados eléctricamente . El funcionamiento a motor evita que las fuerzas aerodinámicas anulen las órdenes de control del piloto.
Finalmente, otro problema común que encaja en esta categoría es el aleteo . A ciertas velocidades, el flujo de aire sobre las superficies de control se vuelve turbulento y los controles comienzan a vibrar. Si la velocidad del aleteo es cercana a un armónico del movimiento del control, la resonancia podría romper el control por completo. Este fue un problema serio en el Zero y el VL Myrsky . Cuando se encontraron por primera vez problemas con un control deficiente a alta velocidad, se abordaron diseñando un nuevo estilo de superficie de control con más potencia. Sin embargo, esto introdujo un nuevo modo resonante y se perdieron varios aviones antes de que esto se descubriera. En el diseño del VL Myrsky, este problema se contrarrestó aumentando la rigidez y el peso del ala, aumentando así la amortiguación de la oscilación armónica, lo que comprometió el rendimiento hasta cierto punto.
Todos estos efectos se mencionan a menudo junto con el término "compresibilidad", pero, en cierto modo, se utilizan incorrectamente. Desde un punto de vista estrictamente aerodinámico, el término debería referirse únicamente a los efectos secundarios que surgen como resultado de los cambios en el flujo de aire desde un fluido incompresible (similar en efecto al agua) a un fluido compresible (que actúa como un gas) a medida que se acerca a la velocidad del sonido. Hay dos efectos en particular, la resistencia de las olas y el número crítico de Mach .
La resistencia aerodinámica es un aumento repentino de la resistencia aerodinámica del avión, causado por el aire que se acumula frente a él. A velocidades más bajas, este aire tiene tiempo de "salir del camino", guiado por el aire que está frente a él y que está en contacto con el avión. Pero a la velocidad del sonido, esto ya no puede suceder, y el aire que antes seguía la línea de corriente alrededor del avión ahora lo golpea directamente. La cantidad de potencia necesaria para superar este efecto es considerable. El número de Mach crítico es la velocidad a la que una parte del aire que pasa sobre el ala del avión se vuelve supersónica.
A la velocidad del sonido, la forma en que se genera la sustentación cambia drásticamente, pasando de estar dominada por el principio de Bernoulli a fuerzas generadas por ondas de choque . Dado que el aire en la parte superior del ala viaja más rápido que en la parte inferior, debido al efecto Bernoulli, a velocidades cercanas a la velocidad del sonido, el aire en la parte superior del ala se acelerará hasta alcanzar velocidades supersónicas. Cuando esto sucede, la distribución de la sustentación cambia drásticamente, lo que generalmente provoca un potente ajuste de morro hacia abajo. Dado que el avión normalmente se acerca a estas velocidades solo en picado, los pilotos informaban que el avión intentaba desviarse hacia el suelo.
La disociación absorbe una gran cantidad de energía en un proceso reversible. Esto reduce en gran medida la temperatura termodinámica del gas hipersónico desacelerado cerca de un vehículo aeroespacial. En las regiones de transición, donde esta disociación dependiente de la presión es incompleta, tanto la capacidad térmica diferencial a presión constante como la beta (la relación diferencial entre volumen y presión) aumentarán en gran medida. Esta última tiene un efecto pronunciado en la aerodinámica del vehículo, incluida la estabilidad.
A medida que los aviones comenzaron a viajar más rápido, los aerodinámicos se dieron cuenta de que la densidad del aire comenzó a cambiar cuando entraba en contacto con un objeto, lo que llevó a una división del flujo de fluido en los regímenes incompresible y compresible . En la aerodinámica compresible, tanto la densidad como la presión cambian, lo que es la base para calcular la velocidad del sonido . Newton fue el primero en desarrollar un modelo matemático para calcular la velocidad del sonido, pero no fue correcto hasta que Pierre-Simon Laplace explicó el comportamiento molecular de los gases e introdujo la relación de capacidad térmica . La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido se denominó número de Mach en honor a Ernst Mach , quien fue uno de los primeros en investigar las propiedades del flujo supersónico , que incluía técnicas de fotografía de Schlieren para visualizar los cambios en la densidad. Macquorn Rankine y Pierre Henri Hugoniot desarrollaron de forma independiente la teoría de las propiedades del flujo antes y después de una onda de choque . Jakob Ackeret dirigió el trabajo inicial sobre el cálculo de la sustentación y la resistencia en un perfil aerodinámico supersónico. [29] Theodore von Kármán y Hugh Latimer Dryden introdujeron el término transónico para describir velocidades de flujo cercanas a Mach 1, donde la resistencia aumenta rápidamente. Debido al aumento de la resistencia al acercarse a Mach 1, los aerodinámicos y los aviadores no estaban de acuerdo sobre si era posible alcanzar el vuelo supersónico.
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El 30 de septiembre de 1935, se celebró una conferencia exclusiva en Roma con el tema del vuelo a alta velocidad y la posibilidad de romper la barrera del sonido . [30] Entre los participantes se encontraban Theodore von Kármán , Ludwig Prandtl , Jakob Ackeret , Eastman Jacobs , Adolf Busemann , Geoffrey Ingram Taylor , Gaetano Arturo Crocco y Enrico Pistolesi. Ackeret presentó un diseño para un túnel de viento supersónico . Busemann hizo una presentación sobre la necesidad de aviones con alas en flecha para el vuelo a alta velocidad. Eastman Jacobs, que trabajaba para la NACA , presentó sus perfiles aerodinámicos optimizados para altas velocidades subsónicas que dieron lugar a algunos de los aviones estadounidenses de alto rendimiento durante la Segunda Guerra Mundial . También se discutió la propulsión supersónica. La barrera del sonido se rompió utilizando el avión Bell X-1 doce años después, gracias en parte a esas personas.
Cuando se rompió la barrera del sonido, ya se había desarrollado gran parte del conocimiento sobre aerodinámica subsónica y supersónica baja. La Guerra Fría impulsó una línea de aviones de alto rendimiento en constante evolución. La dinámica de fluidos computacional se inició como un esfuerzo para resolver las propiedades del flujo alrededor de objetos complejos y ha crecido rápidamente hasta el punto en que se puede diseñar un avión completo utilizando una computadora, con pruebas en túnel de viento seguidas de pruebas de vuelo para confirmar las predicciones de la computadora.
Con algunas excepciones, el conocimiento de la aerodinámica hipersónica ha madurado entre los años 1960 y la década actual. Por lo tanto, los objetivos de un aerodinamista han pasado de comprender el comportamiento del flujo de fluidos a comprender cómo diseñar un vehículo para que interactúe adecuadamente con el flujo de fluidos. Por ejemplo, si bien se entiende el comportamiento del flujo hipersónico, la construcción de un avión estatorreactor para volar a velocidades hipersónicas ha tenido un éxito muy limitado. Junto con la construcción de un avión estatorreactor exitoso, el deseo de mejorar la eficiencia aerodinámica de las aeronaves y los sistemas de propulsión actuales seguirá impulsando nuevas investigaciones en aerodinámica. Sin embargo, todavía existen problemas importantes en la teoría aerodinámica básica, como la predicción de la transición a la turbulencia y la existencia y unicidad de soluciones para las ecuaciones de Navier-Stokes.
Sir George Cayley, nacido en 1773, es a veces llamado el Padre de la Aviación. Pionero en su campo, fue el primero en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo (peso, sustentación, resistencia y empuje) y su relación. También fue el primero en construir un planeador capaz de transportar personas con éxito. Cayley describió muchos de los conceptos y elementos del avión moderno y fue el primero en comprender y explicar en términos de ingeniería los conceptos de sustentación y empuje.
