avión , también llamado avión o avión , cualquiera de una clase de aeronave de ala fija que sea más pesado que el aire, propulsado por una hélice de tornillo o un jet de alta velocidad, y apoyado por el dinámica reacción del aire contra sus alas. Para un relato del desarrollo del avión y el advenimiento de la aviación civil ver historia de vuelo.
Air New Zealand Limited Air New Zealand Boeing 747-400. Adrian Pingstone
Los componentes esenciales de un avión son un sistema de alas para sostenerlo en vuelo, superficies de cola para estabilizar las alas, superficies móviles para controlar la actitud del avión en vuelo y una planta de energía para proporcionar el empuje necesario para empujar el vehículo a través del aire. Se deben tomar medidas para apoyar el avión cuando está en reposo en el suelo y durante el despegue y el aterrizaje. La mayoría de los aviones cuentan con un cuerpo cerrado (fuselaje) para albergar a la tripulación, los pasajeros y la carga; la cabina es el área desde la cual el piloto opera los controles e instrumentos para volar el avión.
Aprenda cómo la estructura de las alas y las moléculas de aire ayudan a los aviones a mantenerse en el aire Aprenda cómo los aviones se mantienen en el aire. MinutePhysics (socio editorial de Britannica) Ver todos los videos de este artículo
Un avión en vuelo recto y nivelado no acelerado tiene cuatro fuerzas que actúan sobre él. (Al girar, zambullirse o trepar, entran en juego fuerzas adicionales). Estas fuerzas son la sustentación, una fuerza que actúa hacia arriba; arrastre, una fuerza retardadora de la resistencia a la sustentación y al fricción de la aeronave moviéndose por el aire; peso, el efecto descendente que tiene la gravedad en la aeronave; y empuje, la fuerza de acción hacia adelante proporcionada por el sistema de propulsión (o, en el caso de aeronaves sin propulsión, mediante el uso de la gravedad para traducir la altitud en velocidad). El arrastre y el peso son elementos inherente en cualquier objeto, incluida una aeronave. La elevación y el empuje son elementos creados artificialmente ideados para permitir que un avión vuele.
Comprender la sustentación primero requiere comprender un perfil aerodinámico, que es una estructura diseñada para obtener una reacción en su superficie del aire a través del cual se mueve. Los primeros perfiles aerodinámicos tenían típicamente poco más que una superficie superior ligeramente curvada y una superficie inferior plana. A lo largo de los años, los perfiles aerodinámicos se han adaptado para satisfacer las necesidades cambiantes. En la década de 1920, las aspas aerodinámicas generalmente tenían una superficie superior redondeada, y la mayor altura se alcanzaba en el primer tercio de la cuerda (ancho). Con el tiempo, tanto la superficie superior como la inferior se curvaron en mayor o menor grado, y la parte más gruesa del perfil aerodinámico se movió gradualmente hacia atrás. A medida que aumentaban las velocidades aerodinámicas, se requería un paso de aire muy suave sobre la superficie, lo que se logró en el perfil aerodinámico de flujo laminar, donde la curvatura estaba más atrás de lo que dictaba la práctica contemporánea. Los aviones supersónicos requirieron cambios aún más drásticos en las formas de la superficie aerodinámica, algunos perdiendo la redondez anteriormente asociada con un ala y teniendo una forma de doble cuña.
Al moverse hacia adelante en el aire, la superficie aerodinámica del ala obtiene una reacción útil para el vuelo del aire que pasa sobre su superficie. (En vuelo, la superficie aerodinámica del ala normalmente produce la mayor cantidad de sustentación, pero las hélices, las superficies de la cola y el fuselaje también funcionan como superficies aerodinámicas y generan diferentes cantidades de sustentación). En el siglo XVIII, el matemático suizo Daniel Bernoulli descubrió que, si la velocidad del aire aumenta sobre un cierto punto de un perfil aerodinámico, la presión del aire disminuye. El aire que fluye sobre la superficie superior curva del perfil aerodinámico del ala se mueve más rápido que el aire que fluye en la superficie inferior, disminuyendo la presión en la parte superior. La presión más alta desde abajo empuja (levanta) el ala hacia el área de presión más baja. Simultáneamente, el aire que fluye a lo largo de la parte inferior del ala se desvía hacia abajo, proporcionando una reacción newtoniana igual y opuesta y contribuyendo a la sustentación total.
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La sustentación que genera un perfil aerodinámico también se ve afectada por su ángulo de ataque, es decir, su ángulo con respecto al viento. Tanto la sustentación como el ángulo de ataque pueden demostrarse de inmediato, aunque de forma burda, sacando la mano por la ventanilla de un automóvil en movimiento. Cuando la mano se gira hacia el viento, se siente mucha resistencia y se genera poca elevación, porque hay una región turbulenta detrás de la mano. La relación entre sustentación y arrastre es baja. Cuando la mano se sostiene paralela al viento, hay mucha menos resistencia y se genera una cantidad moderada de sustentación, la turbulencia se suaviza y hay una mejor relación entre sustentación y resistencia. Sin embargo, si la mano se gira ligeramente para que su borde delantero se eleve a un ángulo de ataque más alto, la generación de sustentación aumentará. Este aumento favorable en la relación elevación-arrastre creará una tendencia a que la mano vuele hacia arriba y hacia arriba. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la elevación y el arrastre. Por lo tanto, la sustentación total está relacionada con la forma del perfil aerodinámico, el ángulo de ataque y la velocidad con la que el ala pasa por el aire.
El peso es una fuerza que actúa de manera opuesta al levantamiento. Por tanto, los diseñadores intentan hacer que la aeronave sea lo más ligera posible. Debido a que todos los diseños de aeronaves tienden a aumentar de peso durante el proceso de desarrollo, el personal de ingeniería aeroespacial moderno tiene especialistas en el campo que controlan el peso desde el comienzo del diseño. Además, los pilotos deben controlar el peso total que una aeronave puede transportar (en pasajeros, combustible y carga) tanto en cantidad como en ubicación. La distribución del peso (es decir, el control de la centro de gravedad de la aeronave) es tan importante aerodinámicamente como la cantidad de peso que se lleva.
El empuje, la fuerza que actúa hacia adelante, se opone al arrastre como la elevación se opone al peso. El empuje se obtiene acelerando una masa de aire ambiente a una velocidad mayor que la velocidad de la aeronave; la reacción igual y opuesta es que la aeronave avance. En reciprocante o aviones propulsados por turbohélice, el empuje se deriva de la fuerza propulsora causada por la rotación de la hélice, con empuje residual proporcionado por el escape. En un motor a reacción, el empuje se deriva de la fuerza propulsora de las palas giratorias de una turbina que comprime aire, que luego se expande por la combustión del combustible introducido y se expulsa del motor. En un avión propulsado por cohetes, el empuje se deriva de la reacción igual y opuesta a la combustión del propulsor del cohete. En un planeador, la altura alcanzada por técnicas mecánicas, orográficas o térmicas se traduce en velocidad por medio de la gravedad.
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Actuar en continua oposición al empuje es la resistencia, que tiene dos elementos. El arrastre parasitario es el causado por la resistencia de la forma (debido a la forma), la fricción de la piel, la interferencia y todos los demás elementos que no contribuyen a la elevación; El arrastre inducido es el creado como resultado de la generación de sustentación.
La resistencia parasitaria aumenta a medida que aumenta la velocidad del aire. Para la mayoría de los vuelos, es deseable reducir al mínimo la resistencia aerodinámica y, por esta razón, se presta una atención considerable a simplificar la forma de la aeronave eliminando la mayor cantidad posible de estructuras que induzcan la resistencia aerodinámica (p. Ej., Cerrando la cabina con un toldo, retraer el tren de aterrizaje, utilizar remachado a ras y pintar y pulir las superficies). Algunos elementos de arrastre menos obvios incluyen el relativo disposición y área de fuselaje y superficies de ala, motor y empenaje; la intersección de las alas y las superficies de la cola; la fuga involuntaria de aire a través de la estructura; el uso de exceso de aire para enfriar; y el uso de formas individuales que provocan la separación del flujo de aire local.
La resistencia inducida es causada por ese elemento del aire desviado hacia abajo que no es vertical a la trayectoria de vuelo sino que está ligeramente inclinado hacia atrás. A medida que aumenta el ángulo de ataque, también aumenta el arrastre; en un punto crítico, el ángulo de ataque puede llegar a ser tan grande que el flujo de aire se interrumpe sobre la superficie superior del ala y se pierde la sustentación mientras aumenta la resistencia. Esta condición crítica se denomina pérdida.
La elevación, el arrastre y la parada se ven afectados de diversas formas por la forma de la forma en planta del ala. Un ala elíptica como la utilizada en el caza Supermarine Spitfire de Segunda Guerra Mundial , por ejemplo, aunque es ideal aerodinámicamente en un avión subsónico, tiene un patrón de pérdida más indeseable que un ala rectangular simple.
Supermarine Spitfire Supermarine Spitfire, el avión de combate más importante de Gran Bretaña desde 1938 hasta la Segunda Guerra Mundial. Cuadrante / Vuelo
La aerodinámica del vuelo supersónico es compleja. El aire es comprimible y, a medida que aumentan las velocidades y las altitudes, la velocidad del aire que fluye sobre la aeronave comienza a exceder la velocidad de la aeronave a través del aire. La velocidad a la que esta compresibilidad afecta a un avión se expresa como una relación entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido, llamado número de Mach, en honor al físico austriaco Ernst Mach. El número de Mach crítico para una aeronave se ha definido como aquel en el que en algún punto de la aeronave el flujo de aire ha alcanzado la velocidad del sonido.
A números de Mach superiores al número de Mach crítico (es decir, velocidades a las que el flujo de aire supera la velocidad del sonido en puntos locales de la estructura del avión), se producen cambios significativos en las fuerzas, presiones y momentos que actúan sobre el ala y el fuselaje. por la formación de ondas de choque. Uno de los efectos más importantes es un gran aumento de la resistencia y una reducción de la sustentación. Inicialmente, los diseñadores buscaron alcanzar números de Mach críticos más altos diseñando aviones con secciones de perfil aerodinámico muy delgadas para el ala y las superficies horizontales y asegurándose de que la relación de finura (longitud a diámetro) del fuselaje fuera lo más alta posible. Las proporciones de grosor del ala (el grosor del ala dividido por su ancho) fueron alrededor del 14 al 18 por ciento en aviones típicos del período 1940-1945; en chorros posteriores, la proporción se redujo a menos del 5 por ciento. Estas técnicas retrasaron el flujo de aire local llegando a Mach 1.0, permitiendo números de Mach críticos ligeramente más altos para la aeronave. Estudios independientes en Alemania y Estados Unidos mostraron que alcanzar el Mach crítico podría retrasarse aún más si se mueven las alas hacia atrás. El barrido del ala fue extremadamente importante para el desarrollo del Messerschmitt Me 262 alemán de la Segunda Guerra Mundial, el primer caza a reacción operativo, y para los cazas de posguerra como el F-86 Sabre norteamericano y el MiG-15 soviético. Estos cazas operaban a altas velocidades subsónicas, pero las presiones competitivas del desarrollo requerían aviones que pudieran operar a velocidades transónicas y supersónicas. La potencia de los motores a reacción con postcombustión hizo que estas velocidades fueran técnicamente posibles, pero los diseñadores todavía estaban en desventaja por el enorme aumento de la resistencia en el área transónica. La solución consistió en agregar volumen al fuselaje por delante y detrás del ala y reducirlo cerca del ala y la cola, para crear un área de sección transversal que se aproximara más al área ideal para limitar la resistencia transónica. Las primeras aplicaciones de esta regla dieron como resultado una apariencia de cintura de avispa, como la del Convair F-102. En aviones posteriores, la aplicación de esta regla no es tan evidente en la forma en planta de la aeronave.
F-86 North American Aviation Caza a reacción F-86, que entró en funcionamiento en 1949. Durante la Guerra de Corea, los F-86 se enfrentaron a los MiG-15 construidos por los soviéticos en el primer combate a reacción a gran escala de la historia. Museo de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos
