Ingresar

PP – CI – 59 La física de los aviones


Categoría: Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)
Área de participación: Ciencias de la ingeniería

Equipo: ALEJANDRO EMILIO

Miembros del equipo:
ALEJANDRO EMILIO HERREROS BALDERAS

Asesor: ZAYDA MAYA SOLIS

Escuela: CENTRO ESCOLAR ZAMA

Pregunta de Investigación

¿Cómo vuelan los aviones?

Planteamiento del Problema

Durante muchos años los aviones han ayudado a trasladar a personas de un lugar a otro. Sin embargo, no conocen su funcionamiento. ¿Cómo es que algo tan pesado puede volar? 

Ciertamente el desconocimiento de la física de los aviones no puede causar ningún daño a nivel personal pero sí puede ayudar a entender los principios que hacen que un objeto pueda volar y practicarlo para algún proyecto. En algunos casos muy remotos puede este conocimiento mantenernos tranquilos ante alguna contingencia de algún vuelo.

 

Antecedentes

Componentes físicos fundamentales de un avión.

De acuerdo con el autor Antonio Creus Las partes principales de un avión son las alas, que producen la sustentación; el empenaje o la cola del avión con su timón de altura y su timón de dirección que gobiernan el vuelo; el fuselaje, que une los elementos anteriores, y el tren de aterrizaje. La parte delantera del avión suele albergar el motor y el panel de instrumentos, aparte de servir de referencia visual al piloto durante el vuelo.

El avión genera la fuerza de sustentación en las alas, al moverse a una cierta velocidad a través del aire. El ala es de sección redondeada por delante, casi plana por su parte inferior y afilada por detrás. La parte superior se llama extrados y la parte inferior intradós. Su forma provoca un estrechamiento con los filetes de aire que chocan con el ala durante el vuelo.

Fig.1 – Partes principales de un avión

Este mismo autor indica que uno de los principios físicos mas importantes es el principio de Bernoulli que se presenta en las alas.

Para   explicar   la   creación   de   la fuerza   de   levantamiento   o   sustentación, Bernoulli   relaciona   el aumento de la velocidad  del  flujo  del  fluido  con  la  disminución  de presión y viceversa. Según se desprende de  ese  planteamiento,  cuando  las  partículas pertenecientes  a  la  masa  de  un  flujo  de  aire  chocan  contra  el borde  de  ataque  de  un  plano  aerodinámico  en  movimiento,  cuya superficie  superior  es  curva  y  la  inferior  plana  (como  es  el  caso  del ala  de  un  avión),  estas  se  separan. A  partir  del  momento  en  que  la masa  de  aire  choca  contra  el  borde  de  ataque  de  la  superficie aerodinámica,  unas  partículas  se  mueven  por  encima  del  plano aerodinámico,   mientras   las   otras   lo   hacen   por   debajo   hasta, supuestamente, reencontrarse en el borde opuesto o de salida.

Principio de Bernoulli.

Teóricamente  para  que  las  partículas  de  aire  que  se  mueven  por la  parte  curva  superior  se  reencuentren  con  las  que  se  mueven  en línea  recta  por  debajo,  deberán  recorrer  un  camino  más  largo debido  a  la  curvatura,  por  lo  que  tendrán  que  desarrollar  una velocidad   mayor   para   lograr   reencontrarse.   Esa   diferencia   de velocidad   provoca   que   por   encima   del   plano   aerodinámico   se origine   un   área   de   baja   presión, mientras   que   por   debajo aparecerá,  de  forma  simultánea,  un  área  de  alta  presión.  Como resultado, estas diferencias  de  presiones  por  encima  y  por  debajo de  las  superficies  del  plano  aerodinámico  provocan  que  la  baja presión    lo    succione    hacia    arriba,    creando    una    fuerza    de levantamiento  o  sustentación.  En el caso del avión, esa  fuerza actuando  principalmente  en  las  alas,  hace  que  una  vez  vencida  la oposición  que  ejerce  la  fuerza  de  gravedad  sobre  éste,  permita mantenerlo en el aire.

En mi interpretación de forma sencilla para el lector del principio de Bernoulli sobre un ala de avión, el aire viaja más rápido en la parte cueveada (arriba) que en la parte plana (abajo). Debido a esto, en cumplimiento del mismo principio, existe una presión mayor en la parte de abajo del ala que acompañada de otros principios físicos provocara la elevación del avión.

Fig.2 – Principio de Bernoulli aplicado en el ala.

Fuerza de Sustentación.

Belén del cerro en su artículo menciona que para que el aparato se eleve es imprescindible que la fuerza que se produce en el eje vertical (sustentación en lenguaje aeronáutico) supere al peso del avión. Por otra parte, en el eje horizontal y gracias a los motores que expulsan gases, tiene lugar el principio de acción-reacción que provoca una fuerza hacia adelante que vence la resistencia del aire. Cuando el avión asciende y llega a su altura de crucero y a una velocidad constante es porque se ha alcanzado el equilibrio de fuerzas tanto en el eje vertical, en el que la sustentación se iguala al peso, como en el eje horizontal, en el que el empuje del motor es igual a la resistencia que nos ofrece el aire.

La magia se produce al conseguir esa fuerza de sustentación. Ahí tenemos que acudir a una serie de principios que lo explican. Básicamente, la sustentación se consigue gracias a las alas del avión. Si las cortáramos tendríamos lo que se llama el perfil del ala, la sección que tiene el ala por dentro. Esta sección tiene una forma muy eficiente desde el punto de vista aerodinámico. El borde por donde entra el aire según va volando el avión es redondeado y la parte de atrás del perfil es afilada y además está curvada por la parte de arriba (en lenguaje aeronáutico esta parte de arriba se llama extradós y la parte de abajo se llama intradós). Esa curvatura del perfil del ala hace que cuando la corriente de aire se encuentra con ella, se divida en dos caminos, una parte del flujo de aire se va por arriba del ala y otra parte, por abajo. Debido a la curvatura del ala, el camino que tiene que recorrer el flujo que va por arriba es más largo que el que va por debajo.

Nuevamente en mi entendimiento, la fuerza de sustentación (reacción) es aquella que resulta del principio de Bernoulli por la mayor presión generada debajo del ala y que es opuesta a la fuerza del peso del avión (acción) ejercida hacia abajo por la gravedad para cumplimiento de la tercera ley de Newton.

Fig.3 – Generación de la fuerza de sustentación.

Tercera Ley de Newton como principio físico complementario.

De igual forma el autor indica que, aunque esta sustentación debida al principio de Bernoulli no llega a explicar toda la que necesitamos para que el avión se eleve. Para explicar la elevación hay que recurrir a otra serie de principios físicos.

Uno de ellos es la tercera ley de Newton. Por la forma curvada que tiene el perfil, el aire que va por arriba en vez de seguir un camino recto, se dirige hacia abajo. Esta deflexión que provoca el perfil del ala en el flujo de aire hace que, debido a la tercera ley de Newton (principio de acción reacción), se produzca una reacción en sentido inverso, es decir, hacia arriba del ala, y eso nos va a dar más sustentación.

Fig.4 – Representación de la tercera Ley de newton en aerodinámica.

Efecto Coanda, un principio físico que pasa desapercibido.

Existe un principio adicional llamado efecto Coanda pero es mucho mas complejo acorde a la explicación de todos los autores por lo cual solo lo dejaremos mencionado.

Varios autores hablan ampliamente acerca de este principio físico. Sin embargo, la explicación más clara que puede encontrar es la de Nicolas Rivera en su publicación a la revista hipertextual.

El efecto Coanda es una serie de sucesos que describen el comportamiento de un fluido al impactar con una superficie. Este principio sostiene que todos los fluidos tienden a ser “atraídos” por otras superficies próximas en lugar de rebotar o desviarse, como sucedería con un sólido.

Básicamente en mi entendimiento, el efecto Coanda es el fenómeno físico que hace que la corriente del aire siga la trayectoria de la forma curveada del ala del avión.

Objetivo

Investigar y entender cuáles son los elementos y principios físicos que hacen a un avión volar.

Justificación

Los aviones son un medio de transporte importante, hacer visible la física de los aviones ayudaría a que más personas aprendan, al igual que yo, cómo un objeto tan pesado y grande puede volar al igual que lo hacen las aves.

Hipótesis

Si investigamos cómo es que vuelan los aviones entonces entenderemos algunos de sus principios físicos.

Método (materiales y procedimiento)

Realizaremos 3 experimentos para mostrar y entender de mejor manera los principales principios físicos que hacen a un avión volar.

Experimento Principio de Bernoulli.

Material

  • 1 bola de unicel #3
  • 1 hoja de papel
  • 15 cm estambre
  • 1 secadora
  • 1 palito de Madera
  • Cinta adhesiva

Procedimiento:

1) Enrollar la hoja de papel y formar un cilindro.

2) Colocar la bola de unicel en uno de los extremos del cilindro y sellar con cinta adhesiva.

3) Clavar el palito de madera a la bola de unicel.

4) Amarrar el estambre al palito de unicel y sujetar el otro extremo a alguna base fija.

5) Encendemos el secador y lo apuntamos a la parte superior del tubo con la bola de unicel, por un lateral. Si lo hacemos bien, veremos cómo se mantiene suspendido en el aire el tubo con la bola de unicel.

Explicación:

Lo que hemos hecho ha sido simplemente disminuir la presión de la parte superior del tubo de cartón. El tubo, al ser un objeto muy ligero, puede quedar suspendido debido a que la presión ejercida debajo de la bola de unicel es mayor, como pasa con las alas de los aviones.

Esto lo explica el principio de Bernoulli, que afirma que, dado un fluido no viscoso, como es el agua o en este caso el aire que pasa por encima de la bola de unicel, al aumentar su velocidad disminuye su presión y por debajo aumenta la presión que mantiene suspendido nuestro objeto.

Experimento Tercera Ley de Newton.

Material

  • 1 globo
  • 1 Palito de madera
  • Cinta adhesiva

Procedimiento:

1) Inflar el globo sin amarrarlo.

2) Unir el globo inflado con el palito de madera utilizando cinta adhesiva.

3) Soltar el globo y dejar que el aire escape.

Explicación:

El aire que sale del globo crea un fuerza igual y opuesta que hace que el palito se mueva hacia adelante. El globo y aire exterior ejercen una fuerza en el aire dentro del globo, forzándolo a salir. El aire que sale ejerce una fuerza contraria a el cohete hecho de globo, acelerándolo hacia adelante.

Principio de ACCION y REACCION.

Tenemos la ACCIÓN, el globo ejerce una fuerza sobre el aire. El aire a su vez ejerce una fuerza sobre el globo igual y de sentido opuesto, la REACCIÓN, y como consecuencia el cohete (globo unido al palito) avanza hasta que se acaba el combustible (el aire) que le permite vencer la fricción del cohete con el aire.

 

Experimento Efecto Coanda.

Material

  • 1 botella de plástico
  • 1 encendedor
  • 1 vela

Procedimiento:

1) Colocar la vela fijamente a algún objeto para que no se mueva.

2) Encender la vela.

3) Colocarse frente a la vela.

4) Poner la botella de plástico entre la persona y la vela.

5) Soplar con fuerza hasta que la vela se apague.

Explicación:

Lo que hemos hecho ha sido simplemente ver el efecto Coanda en acción. Al soplar frente al bote de plástico, el aire se divide en 2 flujos que rodean la curvatura de la botella y vuelven a unirse del lado contrario en un solo flujo para así  tener suficiente fuerza para apagar la vela.

Esto se explica con el efecto Coanda que afirma que, dado un fluido no viscoso, como es el agua o en este caso el aire tienden a ser “atraídos” por otras superficies próximas (curveadas) en lugar de rebotar o desviarse, como sucedería con un sólido.

 

Galería Método

Resultados

Fue muy ilustrativo realizar los experimentos, ya que pudimos observar como funcionan los principios físicos que hacen a un avión volar. Desde el efecto Coanda en las superficies curvas (como las alas de un avión), pasando por el principio de Bernouli que hizo posible mantener nuestro cilindro suspendido en el aire, y finalmente la tercera ley de Newton soltando el globo (acción/reacción) para que saliera disparado.

Galería Resultados

Discusión

Definitivamente al estudiar como vuelas los aviones y realizar estos experimentos, entendimos 3 de sus principales principios físicos.

Conclusiones

Puedo concluir que las alas de un avión son la parte fundamental que hacen que este objeto tan pesado se eleve por lo cielos, debido a que los 3 principios físicos principales se presentan gracias a la forma y diseño de las alas. Me gusto mucho este proyecto, ya que ahora puedo explicarles a mis amigos y familiares porque un avión puede volar y un automóvil no puede hacerlo, si ambos tienen motor.

Bibliografía

Belén del Cerro. (2019). ¿Por qué vuelan los aviones?. EL PAIS, 50,51.

John D. Anderson. (2003). Permanecer en lo alto: ¿Qué los mantiene ahí arriba?. New York Times, 23,24.

Ed Regis. (MAY 2020). El enigma de la sustentación aerodinámica. INVESTIGACION Y CIENCIA, 1, 11,12.

Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.

Astropedia. Principio de Bernoulli. Online en: https://astronomia.fandom.com/wiki/Principio_de_Bernoulli.

Antonio Creus ole. (2010). Iniciación a La Aeronáutica. España: DIAZ DE SANTOS.



PP – CI – 59 La física de los aviones


PP – CI – 59 La física de los aviones

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography