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7/31/2019 1. AERODINAMICA
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PRINCIPIOS
DE
AERODINAMICA
CAPITAN PA. SALVADOR ENRIQUE RIVAS ALFARO
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FLUIDOS.Fluido es aquella sustancia que debido a su poca
cohesin intermolecular, carece de forma propia yadopta la forma del recipiente que lo contiene.Los fluidos se clasifican en lquidos y gases.
Los lquidos a una Temperatura (T) y Presin (P)determinadas ocupan un volumen determinado.
Los gases tambin ocupan un volumen determinada altener T y P., pero si se deja en libertad, se expansionanhasta ocupar el volumen completo del recipiente quelos contiene y no presentan superficie libre.
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FLUIDOS.En resumen:
- Los slidos ofrecen gran resistencia al cambio de forma yvolumen.- Los lquidos ofrecen gran resistencia al cambio de volumenpero no de forma.
- Los gases ofrecen poca resistencia al cambio de forma y devolumen.
Por lo tanto, el comportamiento de los lquidos y gases es similaren conductos cerrados.
En general los gases son muy compresibles y aunque el fluidoincompresible no existe en realidad, muchos problemas eningeniera se resuelven suponiendo fluidos incompresibles.
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DENSIDAD ESPECIFICA O ABSOLUTA.La densidad es la masa por unidad de volumen
Donde mes masa en kg.
Ves volumen en m3 .
La densidad absoluta es funcin de la temperatura y de la presin
m =
V
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PESO ESPECIFICO.
Es el peso por unidad de volumen
Donde Wes peso en N.
Ves volumen en m3 .
El peso especfico es funcin de la temperatura y de la presin (enlos lquidos no vara con esta ltima)
W=
V
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VOLUMEN ESPECIFICO.Es el recproco de la densidad absoluta
O sea, el volumen que ocupa 1 kg de masa de la sustancia
Para el caso del aire, a presin atmosfrica y a 4 C, su densidadaproximada es de 1.3 kg/m3 .
Y su volumen especfico es de 1/1.3 m3 /kg
1v=
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COMPRESIBILIDAD.En los fluidos al igual que en los slidos, se verifica laley fundamental de la elasticidad:
El esfuerzo unitario es igual a la deformacin unitaria.
Consideraremos el esfuerzo unitario como el esfuerzode compresin y la deformacin unitaria como una
deformacin en el volumen
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VISCOSIDAD.
Entre las molculas de un fluido existen fuerzas que sedenominan fuerzas de cohesin.
Al desplazarse unas molculas con relacin a otras se
produce una friccin entre ellas.Entre las molculas de un fluido en contacto con unslido y las molculas de este cuerpo slido existenfuerzas moleculares denominadas fuerzas de adherencia.
El coeficiente de friccin interna del fluido se denominaviscosidady se designa con la letra (etta)
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VISCOSIDAD.En un fluido ideal la = 0, y por lo tanto no existir
resistencia alguna al movimiento de las molculas oresistencia a la deformacin.
La viscosidad, como cualquier otra propiedad del
fluido, depende del estado del fluido caracterizado poral presin y la temperatura.
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VISCOSIDAD CINEMATICA.En aerodinmica, adems de las fuerzas debidas a la
viscosidad, intervienen otras fuerzas debidas a ladensidad: Fuerzas de Inercia.
Por ello, se relaciona la viscosidad dinmica referida a la
densidad, o sea la relacin entre viscosidad dinmica ()y la densidad (), que se denomina viscosidadcinemtica.
La viscosidad cinemtica del aire vara mucho con la presin ycon la temperatura
v=
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FLUIDO IDEAL.En la realidad es imposible encontrar un fluido ideal.
En mecnica de fluidos se utiliza como una hiptesispara simplificar las ecuaciones matemticas en elestudio de la aerodinmica.
Fluido ideal es aquel cuya viscosidad es nula y se puedeexpresar por = 0.
En ningn fluido real la viscosidad ser nula, as unavin volando en aire ideal no experimentararesistencia alguna.
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PRESION.Un cuerpo slido de peso W, se encuentra en equilibrio
sobre una superficie plana, siendoAel rea de contacto.Se denomina presin del cuerpo (P) sobre la superficiehorizontal, debida a la fuerza vertical (W)a la relacin:
P = W/AEl cuerpo est en equilibrio gracias a otra fuerza W yde sentido contrario que la superficie plana ejerce sobreel cuerpo y que se denomina reaccin R, la cual esnormal a la superficie
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PRESION.PROPIEDADES
1. La presin en un punto de un fluido en reposo esigual en todas las direcciones.
P1
P1
P2P2
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PRESION.PROPIEDADES
2. la presin en todos los puntos situados en un mismo
plano horizontal, en el seno de un fluido en reposo es la
misma.
P1
P1
P2P2
P3 P3
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PRESION.PROPIEDADES
3. En un fluido en reposo, la fuerza de contacto que
ejerce en el interior del fluido una parte del fluido sobre
otra contigua, tiene la direccin normal a la superficie de
contacto.
F
F1
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PRESION.PROPIEDADES
4. La fuerza de presin en un fluido en reposo, se dirige
siempre hacia el interior del fluido, es decir es una
compresin y jams una traccin.
P
P
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PRESION.PROPIEDADES
5. La superficie libre de un lquido en reposo es siempre
horizontalP
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UNIDADES DE PRESION
En el Sistema Internacional:
1P = 1 N/ m2. (Pascal)En la prctica se utilizan pulgadas de mercurio o mm demercurio.
Podemos deducir una ecuacin para pasar unidades delongitud de columna a unidades de presin:
Consideremos un recipiente de base horizontal A, lleno delquido con densidad hasta una altura h. Segn la
definicin de presin:P =W/A = Vg / A = A h g / A = h g
P = g h
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PRESION ATMOSFERICA
Sobre la superficie libre de un lquido acta la presin del
aire o gas que sobre ella existe. Esta presin puede adquirirun valor cualquiera en un recipiente cerrado; pero si elrecipiente est abierto, el valor corresponde a la presinatmosfrica existente y es igual al peso de la columna de
aire sobre el punto del fluido.
La presin atmosfrica vara con la temperatura y la
altitud. La presin media normal a 0 y al nivel del mar esde 760 mm Hg = 1.01396 bar
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ECUACION FUNDAMENTAL DE LAHIDROSTATICA DE UN FLUIDO
INCOMPRESIBLE
Si aislamos una porcin de fluido de baseA y altura dh. la presin enla base de la porcin esp. la presin en la parte superior de laporcin es p + dp. La ecuacin de equilibrio esta determinada por
pA (p + dp)A g A dh = 0
dp------- = - g dh
si es ctte. p1 - p2--------- = g ( h2h1 )
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ECUACION FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA DE UN FLUIDOINCOMPRESIBLE
pA (p + dp)A g A dh = 0
dp------- = - g dh
si es ctte. p1 - p2--------- = g ( h2h1 )
p1 p2
--- + h1 g = --- + h2g
como 1 y 2 son dos puntos en el seno de un fluido p--- + h g = C
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ECUACION FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA DE UN FLUIDOINCOMPRESIBLE
p
--- + h g = C
p+gh = C
Trabajando esta ecuacin y considerando un fluido enmovimiento (energa cintica) se llega a la ecuacin de
Bernoulli para una lnea de corriente: v2
p +gh + ------- = C2
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LINEAS DE CORRIENTE
TRAYECORIA DE LA PARTICULA
Se define como el camino que recorre una partcula de fluido ensu movimiento.
LINEA DE CORRIENTE
Se define a la curva tangente a los vectores velocidad en cadapunto del fluido.
en rgimen permanente, la trayectoria coincide con la lnea decorriente, es decir que las velocidades en puntos 1, 2 y 3 sernsiempre v1, v2 y v3 y la partcula sigue una trayectoria quecoincide con la lnea de corriente
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REGIMENES DE CORRIENTE
CORRIENTE PERMANENTE Y CORRIENTE VARIABLE
PERMANENTE si en cualquier punto del espacio por dondecircula el fluido, no varan con el tiempo las caractersticas deeste. (aunque varen de un punto a otro). En particular su
velocidad y su presin.ejemplo: corriente de agua continua en un canal de pendienteuniforme
VARIABLE si sucede lo contrario.
ejemplo: vaciado de un depsito por un orificio de fondo.
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REGIMENES DE CORRIENTE
CORRIENTE UNIFORME Y NO UNIFORME
UNIFORME. Si en cualquier seccin transversal a la corriente,la velocidad en puntos homlogos es igual en magnitud ydireccin.
ejemplo: flujo de un fluido en un tubo de dimetro constante.
NO UNIFORME . En caso contrario.
ejemplo: cono divergente a la salida de una bomba. La velocidaddisminuye a medida que la seccin aumenta.
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REGIMENES DE CORRIENTE
CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTALAMINAR, si es perfectamente ordenada, de manera que elfluido se mueve en lminas paralelas que no se mezclan entre s,es decir con movimiento estratificado.
Aceite desplazndose en unatubera circular de dimetroconstante.
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REGIMENES DE CORRIENTE
CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTA
TURBULENTA, si es desordenada y el fluido se desplaza conlneas de corriente entrecruzadas, formando pequeos remolinosaperidicos.
En el rgimen turbulento se da mayor disipacin de energa.
Segmentos de trayectorias de diversas
partculas en un mismo espacio detiempo
Trayectoria de una sla partcula
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REGIMENES DE CORRIENTE
Flujo laminar de un fluido perfecto entorno al perfil de un objeto
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CAUDAL
El caudal Qes el volumen de fluido por unidad detiempo que pasa a travs de una seccin transversal a lacorriente
VQ = -----
tSi queremos expresar el caudal en relacin a la seccintransversal que cruza:
V A dxQ = ----- = ------- = Av
t t
Q = Avel caudal es igual a la seccin que atraviesa por la
velocidad en esa seccin
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ECUACION DE CONTINUIDAD Consideramos para un hilo de corriente en rgimen permanente,
donde: No entra ni sale fluido lateralmente porque la velocidad es
tangencial al hilo de corriente El hilo de corriente se considera estacionario No se crea ni se destruye masa, por lo que la masa que entra
es la misma masa que sale por una seccin transversaldeterminadam V A dx
----- = Constante = ------- = ----------t t t
Q = Av
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s
s,
V
V
ECUACION DE CONTINUIDAD
S V = S V
CAUDAL: AREA x VELOCIDAD
S x V
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Generalidades:
Donde hay flujo lento en un fluido, encontrar la presin (esttica)aumentada.
Donde hay un aumento de flujo en un fluido, encontrar la presin(esttica) disminuida.
En un fluido estacionario el valor total de la presin se mantieneconstante.
La presin total est constituida por la presin esttica y por la
presin dinmica.
Si la presin dinmica aumenta, la presin esttica disminuye,
Si la presin dinmica disminuye, la presin esttica aumenta.
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ECUACION DE BERNOULLI La ecuacin de Bernoulli se deduce a partir de la ecuacin
fundamental de la hidrosttica considerando un fluido enmovimiento. Esta ecuacin se aplica slo a fluidos ideales e incompresibles que
se mueven a rgimen permanente. Los puntos que se consideran para la deduccin estn situados en
la misma lnea de corriente.
En un fluido ideal no hay viscosidad ni rozamiento, por lo que nose transforma energa hidrulica en trmica.
Aunque la energa se puede transformar de una a otra, por elprincipio de conservacin de la energa, la suma total de la energaque posee la partcula debe permanecer constante
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ECUACION DE BERNOULLI Considerando energas especficas, la suma de estas en un fluido
ideal e incompresible se compone de: Energa geodsica hg
Energa de presin p/
Energa de velocidad v 2 /2
La suma de estas energas debe permanecer constanteP v2
------ + hg + ----- = Constante
2
v2
P +hg + ----- = Constante
2
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TUBO DE VENTURIUn tubo de venturi es usado para medir la velocidad del flujo de un fluido. En lagarganta, el rea es reducida deA1 aA2 y su velocidad se incrementa deV1 aV2. En
el punto 2, donde la velocidad es mxima, la presin es mnima. Esto lo sabemos dela ecuacin de Bernoulli.
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ECUACION DE CONTINUIDAD
APLICADA A UN PERFIL ALAR.
Si las lneas de corriente se juntan al pasar sobre cualquier
superficie del avin, la velocidad del flujo del aire ha aumentado,
si se separan , la velocidad ha disminuido.
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VIENTO RELATIVO
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VIENTO RELATIVO
Es el flujo de aire que pasa sobre un objeto en virtud de la
velocidad relativa entre el aire y el objeto.
El viento que se crea contrario a la direccin del
movimiento del avin
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Borde de ataque. Parte frontal del ala y la primera que entra encontacto con el flujo de aire
Borde de fuga. Seccin delgada posterior donde el flujo de aire
se reencuentralnea de cuerda.La lnea uniendo el borde de ataque y el bordede salidangulo de ataque. El ngulo entre la lnea de cuerda y el vientoque viene de frente.
PARTES DE UN PERFIL ALAR
Angulo de ataque
Borde de ataque
Borde de fuga
Lnea de cuerdaFLUJO
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ngulo de incidencia. es el ngulo agudo formado por la cuerda
del ala con respecto al eje longitudinal del avin. Este ngulo esfijo, pues responde a consideraciones de diseo y no es modificablepor el piloto
ANGULO DE INCIDENCIA
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ANGULO DE ATAQUE.
El ngulo que forma el viento relativo con la cuerda de ala
El A. de ataque. Aumenta o disminuye al operar el control de
profundidad.
Al aumentar el A. de Ataque, la sustentacin aumenta hasta cierto
lmite, que tambin depende del aumento de potencia.
El lmite ocurre cuando se forma turbulencia, el aire entonces ya
no puede seguir la forma del ala, el flujo se desorganiza, se pierde
la sustentacin y el avin se desploma.
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CAPA LIMITE
Al conjunto de capas que van desde la que tiene velocidad cero (la mscercana al ala) hasta la que tiene velocidad libre se le llama capa lmite, y a ladistancia entre la primera y la ltima espesor de la capa lmite.
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CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTA
CAPA LIMITE
Capa lmite laminar: Considerado el perfil de un plano,cuando el movimiento del aire se realiza de manera
ordenada, en capas paralelas, obtenemos unacirculacin laminar y por tanto una capa lmite laminar.Capa lmite turbulenta: En ella el movimiento de laspartculas no es en forma de capas paralelas, siendo deforma catica, pasando las molculas de aire de unacapa a otra movindose en todas direcciones.
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CAPA LIMITE
CORRIENTE LAMINAR Y TURBULENTA
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Fuerza generada por un cuerpo que se desplazapor un fluido, de direccin perpendicular a la dela velocidad de la corriente incidente.
Como con otras fuerzas aerodinmicas, en laprctica, en lugar de fuerzas se utilizancoeficientes adimensionales, que representan la
efectividad de la forma de un cuerpo paraproducir sustentacin y cuyo uso es mscmodo que el de fuerzas.
SUSTENTACION
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Es la principal fuerza que permite que una aeronavecon alas se mantenga en vuelo.
Para la sustentacin se utiliza la notacin L, del trmino
ingls lift, y CLpara el coeficiente de sustentacin, elcual siempre se busca sea lo mayor posible.
Adems, la sustentacin y en consecuencia, sucoeficiente, dependen directamente del ngulo de
ataque, aumentando segn aumenta ste hasta llegar aun punto mximo despus del cual se entra en prdida.
SUSTENTACION
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Una aeronave se sustenta en el aire como consecuenciade la diferencia de presin que se origina al incidir la
corriente de aire en una superficie aerodinmica como es
el ala.
.
SUSTENTACION
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
CARACTERISTICAS DEL FLUJO
Antes de llegar al borde de ataque, las lneas de corriente tomanuna direccin ascendente, preparndose para fluir a travs delala. Esto se debe al movimiento ondulatorio que se genera por elpaso del ala a travs del aire
Al dejar el borde de fuga, las lneas de corriente llevan unatrayectoria descendente en ngulo (epsilon) con respecto alviento relativo. Este ngulo se denomina como ngulo dedeflexin. .
FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
CARACTERISTICAS DEL FLUJO
Al llegar al borde de ataque el viento relativo lleva trayectoriaascendente; al dejar el borde de fuga, lleva trayectoria descendente.Se infiere que el viento relativo cambia a travs del perfil alar, porlo que se toma como referencia unviento relativo medio pararealizar clculos.
VR
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL La sustentacin se descompone en dos: Sustentacin efectiva y
Resistencia inducida.
La segunda es inevitable ya que se crea a partir de la sustentacin
/2
VR
VRm
SUSTENTACINSUSTENTACINEFECTIVA
la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta el ngulo de ataque.
la resistencia inducida disminuye con el aumento de velocidad.
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
La diferencia de presiones entre la curvatura superior einferior del ala produce un flujo de aire que pasa por laspuntas de las alas desde la superficie inferior a la superior.
Este flujo, al combinarse con el viento relativo, forma
torbellinos de aire que se definen como vrtices
FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
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FLUJO DE AIRE A TRAVES DEL PERFIL
Como consecuencia de los vrtices se produce una
tendencia del flujo de aire sobre el ala a desviarse hacialas races ybajo el ala a desviarse hacia las puntas
Un efecto de los vrtices es ladesviacin del flujo de airehacia abajo al dejar el bordede fuga, con lo que se aumentala Ri
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CENTRO DE PRESIONES Se denomina centro de presiones al punto terico del ala
donde se considera aplicada toda la fuerza de sustentacin.A efectos tericos, aunque la presin acta sobre todo elperfil, se considera que toda la fuerza de sustentacin seejerce sobre un punto en la lnea de la cuerda (resultante).
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Perdida (Stall)
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Perdida (Stall)
Para ngulos superiores a 14 grados, la sustentacin cambia
con rapidez hasta llegar a la prdida total cuando, por efecto
de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en lasuperficie de las alas..
En sta situacin se
dice que el perfilaerodinmico haentrado en prdida
ANGULO DE ATAQUE CRITICO
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ANGULO DE ATAQUE CRITICO
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PERDIDA DE SUSTENTACION EN EL PERFIL
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PERDIDA DE SUSTENTACION EN EL PERFIL
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA
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FACTORES QUE INTERVIENEN EN LAVELOCIDAD D EPERDIDA
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RESISTENCIA
Se denomina resistencia aerodinmica, o simplemente resistencia,a la componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse atravs del aire en la direccin de la velocidad relativa entre el aire yel cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha
velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que es la fuerzaque se opone al avance de un cuerpo a travs del aire.
RESISTENCIA
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Es la fuerza que retarda el avance del avin a travs
del aire.
Normalmente es desventaja:
Disminuye alcance.
Consumo alto de combustible.
Disminuye velocidad del avin.
Es ventajosa en los aterrizajes para disminuir velocidad.
La resistencia puede ser inducida y parsita
RESISTENCIA
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RESISTENCIA
Resistencia parsita.Se denomina as toda resistencia que no esfuncin de la sustentacin. Est compuesta por:
Resistencia de perfil: se puede descomponer a su vez en otras dos: Resistencia de presin: Debida a la forma de la estela.
Resistencia de friccin: Debida a la viscosidad del fluido. Resistencia adicional: Es la resistencia provocada los componentes
de un avin que no producen sustentacin, como por ejemplo elfuselaje o las gndolas subalares.
Resistencia de interferencia: Cada elemento exterior de un avin envuelo posee su capas lmite, pero por su proximidad stas puedenllegar a interferir entre s, lo que conduce a la aparicin de estaresistencia.
RESISTENCIA INDUCIDA
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Resistencia inducida. La que se origina por la produccin de la
sustentacin. Se producen juntas si cesa la sustentacin tambin cesala R. I.
La resistencia inducida es paralela al viento relativo
La resistencia inducida no se puede eliminar
Viento relativo medio
Fuerza aerodinmica
RESISTENCIA INDUCIDA
RESISTENCIA INDUCIDA
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RESISTENCIA INDUCIDA
En la resistencia inducida tambin tiene influencia la forma de lasalas; un ala alargada y estrecha tiene menos resistencia inducidaque un ala corta y ancha
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CONTROL DE LA RESISTENCIA La resistencia inducida depende del ngulo de ataque.
El piloto puede reducir la resistencia inducida si paralograr ms sustentacin incrementa la velocidad en vezde incrementar el ngulo de ataque. A mayor velocidadmenor resistencia inducida. El peso influye de forma
indirecta en esta resistencia, puesto que a ms peso mssustentacin se necesita y por tanto mayor ngulo deataque para mantener la misma velocidad.Disminuyendo el peso disminuye la resistenciainducida.
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CONTROL DE LA RESISTENCIA
La resistencia parsita se incrementa con la velocidad del avin. Lanica forma que tiene el piloto para disminuirla es aminorar lavelocidad
Si con el aumento de
velocidad disminuye laresistencia inducida y seincrementa la resistenciaparsita, tiene que haber unpunto en que la suma deambas (resistencia total) seael menor posible. Este puntode velocidad viene tabuladopor el fabricante en elmanual del avin.
SUSTENTACION vs RESISTENCIA
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SUSTENTACION vs RESISTENCIA
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VELOCIDAD DEL SONIDO Una onda mecnica es una perturbacin que se propaga a travs
de un medio elstico y transporta energa sin un transporte netode materia. Por medio elstico se entiende aquel que luego de quela perturbacin ha pasado es capaz de retomar su forma inicial.
Para que se produzca una onda mecnica son necesarias lassiguientes condiciones:
Una fuente de perturbacin.
Un medio a travs del cual se propague laperturbacin.
Un mecanismo por medio del cual las partculas delmedio interacten entre s para intercambiarenerga.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:2006-01-14_Surface_waves.jpg7/31/2019 1. AERODINAMICA
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VELOCIDAD DEL SONIDO
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Lavelocidad del sonido es la velocidad de propagacin de lasondas mecnicas longitudinales, producidas por variaciones depresin del medio. Estas variaciones de presin generan en elcerebro la sensacin del sonido
La velocidad de propagacin de la onda sonora depende de lascaractersticas del medio en el que se realiza dicha propagacin yno de las caractersticas de la onda o de la fuerza que la genera.
La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 C) esde 340 m/s.
En el agua es de 1.6 m/s.
VELOCIDAD DEL SONIDO
VELOCIDAD DEL SONIDO
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El Nmero Mach, conocido como mach (pronnciese"mac"), se define como el cociente entre la velocidad deun objeto y la velocidad del sonido en el medio en quese mueve dicho objeto. Dicha relacin puede expresarse
segn la ecuacin:Ma = V / Vs
Es una magnitud adimensional, tpicamente usada paradescribir la velocidad de los aviones. Mach 1 equivale ala velocidad del sonido, Mach 2 es dos veces la
velocidad del sonido, etc.
VELOCIDAD DEL SONIDO
VELOCIDAD DEL SONIDO
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la velocidad del sonido cambia dependiendo de las condicionesde la atmsfera. Por ejemplo, cuanto mayor sea la altura sobre elnivel del mar o la temperatura de la atmsfera, menor es la
velocidad del sonido.
Normalmente, las velocidades de vuelo se clasifican segn sunmero de Mach en: Subsnico M < 0,7
Transnico 0,7 < M < 1,2
Supersnico 1,2 < M < 5
Hipersnico M > 5
VELOCIDAD DEL SONIDO
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VELOCIDAD DEL SONIDO
En aerodinmica, la barrera del sonido es un supuestolmite fsico que impedira que objetos de gran tamaose desplazaran a velocidad supersnica.
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_%287_July_1999%29.jpg