La mecánica de vuelo de aeronaves es relevante para aeronaves de ala fija ( planeadores , aeroplanos ) y de ala giratoria ( helicópteros ). Un aeroplano ( avión en el uso estadounidense) se define en el Documento 9110 de la OACI como "una aeronave impulsada por motor, más pesada que el aire, que obtiene su sustentación principalmente de reacciones aerodinámicas en la superficie que permanecen fijas bajo determinadas condiciones de vuelo".
Cabe señalar que esta definición excluye tanto a los dirigibles (porque obtienen su sustentación de la flotabilidad en lugar de del flujo de aire sobre superficies) como a los cohetes balísticos (porque su fuerza de sustentación se deriva normalmente de manera directa y completa del empuje casi vertical). Técnicamente, se podría decir que ambos experimentan "mecánica de vuelo" en el sentido más general de fuerzas físicas que actúan sobre un cuerpo que se mueve a través del aire ; pero funcionan de manera muy diferente y normalmente quedan fuera del alcance de este término.
Un aparato más pesado que el aire (avión) sólo puede volar si se aplican una serie de fuerzas aerodinámicas. En el caso de los aviones de ala fija, el fuselaje del aparato sostiene las alas antes del despegue. En el momento del despegue, ocurre lo contrario y las alas sostienen al avión en vuelo.
En vuelo, una aeronave a motor puede considerarse como si estuviera sometida a la acción de cuatro fuerzas: sustentación , peso , empuje y resistencia . [1] El empuje es la fuerza generada por el motor (ya sea un motor a reacción , una hélice o, en casos exóticos como el X-15 , un cohete ) y actúa en dirección hacia adelante con el fin de superar la resistencia. [2] La sustentación actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad de la aeronave en relación con la atmósfera. La resistencia actúa paralelamente al vector de velocidad de la aeronave, pero en la dirección opuesta porque la resistencia resiste el movimiento a través del aire. El peso actúa a través del centro de gravedad de la aeronave , hacia el centro de la Tierra.
En vuelo recto y nivelado , la sustentación es aproximadamente igual al peso y actúa en dirección opuesta. Además, si el avión no acelera, el empuje es igual y opuesto a la resistencia. [3]
En un vuelo ascendente recto, la sustentación es menor que el peso. [4] En un principio, esto parece incorrecto porque si un avión está ascendiendo, parece que la sustentación debe ser mayor que el peso. Cuando un avión está ascendiendo a velocidad constante, es su empuje lo que le permite ascender y ganar energía potencial adicional. La sustentación actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad del avión en relación con la atmósfera, por lo que la sustentación no puede alterar la energía potencial o la energía cinética del avión. Esto se puede ver considerando un avión acrobático en vuelo vertical recto (uno que está ascendiendo directamente hacia arriba o descendiendo directamente hacia abajo). El vuelo vertical no requiere sustentación. Cuando vuela directamente hacia arriba, el avión puede alcanzar una velocidad aerodinámica cero antes de caer hacia la tierra; el ala no genera sustentación y, por lo tanto, no entra en pérdida. En un vuelo ascendente recto a velocidad aerodinámica constante, el empuje excede la resistencia.
En vuelo descendente recto, la sustentación es menor que el peso. [5] Además, si el avión no acelera, el empuje es menor que la resistencia. En vuelo con viraje, la sustentación excede al peso y produce un factor de carga mayor que uno, determinado por el ángulo de inclinación del avión . [6]
Existen tres formas principales en las que un avión puede cambiar su orientación con respecto al aire que pasa: cabeceo (movimiento del morro hacia arriba o hacia abajo, rotación alrededor del eje transversal), alabeo (rotación alrededor del eje longitudinal, es decir, el eje que recorre la longitud del avión) y guiñada (movimiento del morro hacia la izquierda o hacia la derecha, rotación alrededor del eje vertical). Para hacer girar el avión (cambiar de rumbo), primero hay que alabearlo para conseguir un ángulo de inclinación (para producir una fuerza centrípeta); cuando se ha conseguido el cambio de rumbo deseado, el avión debe alabearse de nuevo en la dirección opuesta para reducir el ángulo de inclinación a cero. La sustentación actúa verticalmente hacia arriba a través del centro de presión, que depende de la posición de las alas. La posición del centro de presión cambiará con los cambios en el ángulo de ataque y el ajuste de los flaps del ala del avión.
La guiñada se produce mediante una aleta de timón móvil. El movimiento del timón cambia el tamaño y la orientación de la fuerza que produce la superficie vertical. Dado que la fuerza se crea a una distancia detrás del centro de gravedad, esta fuerza lateral provoca un momento de guiñada y luego un movimiento de guiñada. En un avión grande puede haber varios timones independientes en la aleta única, tanto por seguridad como para controlar las acciones interconectadas de guiñada y alabeo.
El uso exclusivo de la guiñada no es una forma muy eficiente de ejecutar un viraje nivelado en una aeronave y provocará cierto deslizamiento lateral. Se debe generar una combinación precisa de inclinación y sustentación para generar las fuerzas centrípetas necesarias sin producir un deslizamiento lateral.
El cabeceo se controla mediante la parte trasera del estabilizador horizontal del estabilizador de cola, que se articula para crear un elevador . Al mover el control del elevador hacia atrás, el piloto mueve el elevador hacia arriba (una posición de comba negativa) y aumenta la fuerza hacia abajo sobre la cola horizontal. El ángulo de ataque de las alas aumenta, por lo que el morro se inclina hacia arriba y, en general, aumenta la sustentación. En los ultraligeros y los ala delta, la acción de cabeceo se invierte: el sistema de control de cabeceo es mucho más simple, por lo que cuando el piloto mueve el control del elevador hacia atrás, produce un cabeceo con el morro hacia abajo y se reduce el ángulo de ataque del ala.
El sistema de una superficie de cola fija y elevadores móviles es estándar en los aviones subsónicos. Las aeronaves capaces de volar supersónicamente suelen tener un estabilizador , una superficie de cola completamente móvil. En este caso, el cabeceo se cambia moviendo toda la superficie horizontal de la cola. Esta innovación aparentemente simple fue una de las tecnologías clave que hicieron posible el vuelo supersónico. En los primeros intentos, cuando los pilotos superaron el número crítico de Mach , un fenómeno extraño hizo que sus superficies de control fueran inútiles y sus aviones incontrolables. Se determinó que cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido, el aire que se aproxima al avión se comprime y comienzan a formarse ondas de choque en todos los bordes de ataque y alrededor de las líneas de bisagra del elevador. Estas ondas de choque hicieron que los movimientos del elevador no provocaran ningún cambio de presión en el estabilizador aguas arriba del elevador. El problema se resolvió cambiando el estabilizador y el elevador con bisagras por un estabilizador completamente móvil: toda la superficie horizontal de la cola se convirtió en una superficie de control de una sola pieza. Además, en el vuelo supersónico, el cambio de inclinación tiene menos efecto sobre la sustentación y un estabilizador produce menos resistencia [ cita requerida ] .
Las aeronaves que necesitan control en ángulos de ataque extremos a veces están equipadas con una configuración canard , en la que el movimiento de cabeceo se crea utilizando un plano delantero delantero (aproximadamente al nivel de la cabina). Este sistema produce un aumento inmediato en la autoridad de cabeceo y, por lo tanto, una mejor respuesta a los controles de cabeceo. Este sistema es común en aeronaves de ala delta (deltaplane), que utilizan un plano delantero canard de tipo estabilizador. Una desventaja de una configuración canard en comparación con una cola trasera es que el ala no puede usar tanta extensión de flaps para aumentar la sustentación del ala a bajas velocidades debido al rendimiento de pérdida. Una aeronave combinada de tres superficies utiliza tanto un canard como una cola trasera (además del ala principal) para lograr las ventajas de ambas configuraciones.
Otro diseño de plano de cola es la cola en V , llamada así porque en lugar de la T invertida estándar o cola en T, hay dos aletas en ángulo una lejos de la otra formando una V. Las superficies de control actúan entonces como timones y elevadores, moviéndose en la dirección apropiada según sea necesario.
El alabeo se controla mediante secciones móviles en el borde de salida de las alas llamadas alerones . Los alerones se mueven en oposición entre sí: uno sube mientras el otro baja. La diferencia en la curvatura del ala provoca una diferencia en la sustentación y, por lo tanto, un movimiento de alabeo. Además de los alerones, a veces también hay spoilers , pequeñas placas articuladas en la superficie superior del ala, que originalmente se usaban para producir resistencia para reducir la velocidad del avión y la sustentación al descender. En los aviones modernos, que tienen la ventaja de la automatización, se pueden usar en combinación con los alerones para proporcionar control del alabeo.
Los primeros aviones a motor construidos por los hermanos Wright no tenían alerones. Toda el ala estaba deformada con alambres. La deformación del ala es eficiente porque no hay discontinuidad en la geometría del ala, pero a medida que aumentaba la velocidad, la deformación involuntaria se convirtió en un problema, por lo que se desarrollaron los alerones.