Un avión es un avión que tiene una masa mayor que la masa de aire y una fuerza de sustentación creada según el principio aerodinámico (arrojando parte del aire hacia abajo debido al flujo alrededor del ala). La sustentación es la respuesta a la pregunta de por qué vuelan los aviones. Lo crean las superficies de carga (principalmente alas) cuando se mueven hacia el flujo de aire de un avión, que desarrolla velocidad mediante una planta de energía o turbina. Gracias a la central eléctrica que crea la fuerza de tracción, el avión es capaz de superar la resistencia del aire.

Los aviones vuelan según las leyes de la física.

La aerodinámica como ciencia se basa en el teorema de Nikolai Egorovich Zhukovsky, un destacado científico ruso, fundador de la aerodinámica, que fue formulado en 1904. Un año después, en noviembre de 1905, Zhukovsky describió su teoría sobre la creación de la fuerza sustentadora del ala de un avión en una reunión de la Sociedad Matemática.

Para que la fuerza de sustentación pueda levantar en el aire un avión moderno, incluso con un peso de decenas de toneladas, su ala debe tener suficiente área. La sustentación de un ala está influenciada por muchos parámetros, como el perfil, el área, la forma en planta del ala, el ángulo de ataque, la velocidad del aire y la densidad. Cada avión tiene su propia velocidad mínima a la que puede despegar y volar sin estrellarse. Así, la velocidad mínima de los modernos avión de pasajeros está en el rango de 180 a 250 km/h.

¿Por qué los aviones vuelan a diferentes velocidades?

El tamaño del avión también depende de la velocidad requerida. El área del ala de un avión de transporte lento debe ser lo suficientemente grande, ya que la sustentación del ala y la velocidad desarrollada por el avión son directamente proporcionales. La gran superficie del ala de los aviones lentos se debe al hecho de que a velocidades suficientemente bajas la fuerza de sustentación es pequeña.

Los aviones de alta velocidad suelen tener alas mucho más pequeñas y, al mismo tiempo, proporcionan suficiente sustentación. Cuanto menor es la densidad del aire, menor es la fuerza de sustentación del ala, por lo que alta altitud La velocidad del avión debe ser mayor que cuando vuela a baja altitud.

¿Por qué los aviones vuelan tan alto?

Altitud de vuelo de los modernos. avion a reacción Se encuentra entre 5.000 y 10.000 metros sobre el nivel del mar. Esto se puede explicar de forma muy sencilla: a tal altitud, la densidad del aire es mucho menor y, por tanto, la resistencia del aire es menor. Los aviones vuelan a gran altura porque cuando vuela a una altitud de 10 kilómetros, el avión consume un 80% menos de combustible que cuando vuela a una altitud de un kilómetro. Sin embargo, ¿por qué entonces no vuelan aún más alto, en las capas superiores de la atmósfera, donde la densidad del aire es aún menor? El hecho es que para crear el empuje necesario por parte del motor de un avión, se requiere un cierto suministro mínimo de aire. Por lo tanto, cada avión tiene una altitud máxima de vuelo segura, también llamada “techo de servicio”. Por ejemplo, el techo de servicio del avión Tu-154 es de unos 12.100 metros.

La llegada del verano a algunos rincones calurosos de nuestro planeta trae consigo no sólo un calor sofocante, sino también retrasos en los vuelos en los aeropuertos. Por ejemplo, en Phoenix, Arizona, la temperatura del aire alcanzó recientemente +48°C y las aerolíneas se vieron obligadas a cancelar o reprogramar más de 40 vuelos. ¿Cuál es la razón? ¿No vuelan los aviones cuando hace calor? Vuelan, pero no a cualquier temperatura. Según los medios de comunicación, el calor plantea un problema particular para los aviones Bombardier CRJ, que tienen una temperatura operativa máxima de despegue de +47,5°C. Al mismo tiempo, aviones grandes de Airbus y Boeing pueden volar a temperaturas de hasta +52°С grados más o menos. Averigüemos qué causa estas restricciones.

Principio de elevación

Antes de explicar por qué no todos los aviones pueden despegar a altas temperaturas del aire, es necesario comprender el principio mismo de cómo vuelan los aviones. Por supuesto, todos recuerdan la respuesta de la escuela: "Lo importante es la sustentación del ala". Sí, esto es cierto, pero no muy convincente. Para comprender realmente las leyes de la física involucradas aquí, es necesario prestar atención a ley del impulso. En mecánica clásica, el impulso de un cuerpo es igual al producto de la masa m de este cuerpo por su velocidad v, la dirección del impulso coincide con la dirección del vector velocidad.

Llegados a este punto, se podría pensar que estamos hablando de un cambio en el impulso del avión. No, en cambio considere el cambio en el impulso del aire, incidiendo en el plano del ala. Imaginemos que cada molécula de aire es una bolita que choca contra un avión. A continuación se muestra un diagrama que muestra este proceso.

Un ala en movimiento choca con globos(es decir, moléculas de aire). Las bolas cambian su impulso, lo que requiere la aplicación de fuerza. Dado que acción es igual a reacción, la fuerza que el ala ejerce sobre las bolitas de aire es de la misma magnitud que la fuerza que las bolitas mismas ejercen sobre el ala. Esto lleva a dos resultados. En primer lugar, se proporciona la fuerza de sustentación del ala. En segundo lugar, aparece la fuerza inversa: el empuje. No se puede lograr levantar objetos sin tracción..

Para generar sustentación, el avión debe moverse y para aumentar su velocidad, necesita más empuje. Para ser más precisos, necesitas suficiente empuje para equilibrar la fuerza de la resistencia del aire y luego vuelas a la velocidad que deseas. Normalmente, este empuje lo proporciona un motor a reacción o una hélice. Lo más probable es que incluso puedas utilizar un motor de cohete, pero en cualquier caso necesitarás un generador de empuje.

¿Qué tiene que ver la temperatura con eso?

Si el ala golpea sólo una bola de aire (es decir, una molécula), no producirá mucha sustentación. Para aumentar la sustentación, se necesitan muchas colisiones con moléculas de aire. Esto puede lograrse de dos formas:

  • muévase más rápido, aumentando el número de moléculas que entran en contacto con el ala por unidad de tiempo;
  • diseñar alas con mayor superficie, porque en este caso el ala chocará con una gran cantidad de moléculas;
  • Otra forma de aumentar la superficie de contacto es utilizar mayor ángulo de ataque debido a la inclinación de las alas;
  • Finalmente, es posible lograr un mayor número de colisiones entre el ala y las moléculas de aire si la densidad del aire en sí es mayor, es decir, el número de moléculas por unidad de volumen es mayor. En otras palabras, aumentar la densidad del aire aumenta la sustentación.

Esta conclusión nos lleva a la temperatura del aire. ¿Qué es aire? Se trata de muchas micropartículas, moléculas que se mueven a nuestro alrededor en diferentes direcciones y a diferentes velocidades. Y estas partículas chocan entre sí. A medida que aumenta la temperatura velocidad media el movimiento de las moléculas también aumenta. Un aumento de temperatura conduce a la expansión del gas y, al mismo tiempo, a una disminución de la densidad del aire. Recuerde que el aire caliente es más ligero que el aire frío, en este fenómeno se basa el principio de la aeronáutica en globo aerostático.

Entonces, para una mayor sustentación, se necesita una mayor velocidad, o un área de ala más grande, o un ángulo de ataque mayor de las moléculas en el ala. Otra condición: cuanto mayor sea la densidad del aire, mayor será la fuerza de elevación. Pero también ocurre lo contrario: cuanto menor es la densidad del aire, menor es la sustentación. Y esto es válido para las zonas calientes del planeta. Debido a las altas temperaturas, la densidad del aire es demasiado baja para algunos aviones., no les basta con despegar.

Por supuesto, puedes compensar la disminución de la densidad del aire aumentando la velocidad. Pero, ¿cómo se puede hacer esto en la realidad? En este caso, es necesario instalar motores más potentes en el avión o aumentar la longitud de la pista. Por lo tanto, es mucho más fácil para las aerolíneas simplemente cancelar algunos vuelos. O al menos trasladarlo a la tarde, temprano en la mañana, cuando la temperatura ambiente estará por debajo del límite máximo permitido.

Probablemente no haya persona que, viendo volar un avión, no se haya preguntado: “¿Cómo lo hace?”.

La gente siempre ha soñado con volar. Probablemente se pueda considerar a Ícaro como el primer aeronauta que intentó despegar con la ayuda de alas. Luego, a lo largo de los milenios, tuvo muchos seguidores, pero el verdadero éxito recayó en los hermanos Wright. Se les considera los inventores del avión.

Al ver enormes aviones de pasajeros en tierra, Boeing de dos pisos, por ejemplo, es completamente imposible entender cómo este coloso metálico de varias toneladas se eleva en el aire, parece tan antinatural. Además, incluso las personas que han trabajado toda su vida en industrias relacionadas con la aviación y, por supuesto, conocen la teoría de la aeronáutica, a veces admiten honestamente que no entienden cómo vuelan los aviones. Pero aún así intentaremos resolverlo.

El avión se mantiene en el aire gracias a la “fuerza de elevación” que actúa sobre él, que surge únicamente del movimiento proporcionado por los motores montados en las alas o el fuselaje.

  • Los motores a reacción devuelven una corriente de productos de combustión de queroseno u otros Combustible de aviación, empujando el avión hacia adelante.
  • Las palas del motor de hélice parecen estar enroscadas en el aire y arrastran consigo al avión.

Fuerza de elevación

La sustentación se produce cuando el aire que se aproxima fluye alrededor del ala. Debido a la forma especial de la sección del ala, parte del flujo por encima del ala tiene una velocidad mayor que el flujo por debajo del ala. Esto sucede porque la superficie superior del ala es convexa, a diferencia de la superficie inferior plana. Como resultado, el aire que fluye alrededor del ala desde arriba tiene que recorrer una distancia más larga y, en consecuencia, a mayor velocidad. Y cuanto mayor es la velocidad del flujo, menor es la presión en él y viceversa. Cuanto menor sea la velocidad, mayor será la presión.

En 1838, cuando la aerodinámica como tal aún no existía, el físico suizo Daniel Bernoulli describió este fenómeno formulando una ley que lleva su nombre. Bernoulli, sin embargo, describió el flujo de fluidos, pero con el surgimiento y desarrollo de la aviación, su descubrimiento no podría haber llegado en un momento más oportuno. La presión debajo del ala excede la presión arriba y empuja el ala, y con ella el avión, hacia arriba.

Otro componente de la sustentación es el llamado "ángulo de ataque". El ala está ubicada en un ángulo agudo con respecto al flujo de aire que se aproxima, por lo que la presión debajo del ala es mayor que arriba.

¿Qué tan rápido vuelan los aviones?

Para generar sustentación se requiere una velocidad determinada y bastante alta. Hay una velocidad mínima, que es necesaria para despegar del suelo, una velocidad máxima y una velocidad de crucero, a la que el avión recorre la mayor parte de la ruta, es aproximadamente el 80% del máximo. Velocidad de crucero de lo moderno. aviones de pasajeros 850-950 kilómetros por hora.

También existe el concepto de velocidad respecto al suelo, que consiste en la velocidad propia de la aeronave y la velocidad de las corrientes de aire que debe superar. Sobre esta base se calcula la duración del vuelo.

La velocidad requerida para el despegue depende del peso del avión, y en los modernos barcos de pasajeros oscila entre 180 y 280 km por hora. El aterrizaje se realiza aproximadamente a la misma velocidad.

Altura

La altitud de vuelo tampoco se elige arbitrariamente, sino que está determinada por una gran cantidad de factores, como el ahorro de combustible y consideraciones de seguridad.

El aire cerca de la superficie de la tierra es más denso y, en consecuencia, tiene mayor resistencia al movimiento, lo que provoca un mayor consumo de combustible. A medida que aumenta la altitud, el aire se vuelve más enrarecido y la resistencia disminuye. Se considera que la altitud óptima para el vuelo es de unos 10.000 metros. El consumo de combustible es mínimo.

Otra ventaja importante de volar a gran altura es la ausencia de aves, cuyas colisiones han provocado más de una vez desastres.

Subir por encima de los 12.000-13.000 metros Aeronave civil no pueden, ya que demasiado vacío impide el funcionamiento normal de los motores.

Control de avión

El avión se controla aumentando o disminuyendo el empuje del motor. En este caso, la velocidad cambia, respectivamente, la fuerza de elevación y la altitud de vuelo. Para un control más preciso de los procesos de cambio de altitud y giro, se utilizan dispositivos de mecanización de las alas y timones ubicados en la cola.

Despegue y aterrizaje

Para que la sustentación sea suficiente para levantar el avión del suelo, debe desarrollar una velocidad suficiente. Para eso se utilizan las pistas de aterrizaje. Los aviones pesados ​​de pasajeros o de transporte requieren pistas largas, de 3 a 4 kilómetros de longitud.

Se controla cuidadosamente el estado de las tiras. servicios de aeródromo, manteniéndolos en perfectas condiciones de limpieza, ya que la entrada de objetos extraños en el motor puede provocar un accidente, y la nieve y el hielo en la pista suponen un gran peligro durante el despegue y el aterrizaje.

Mientras el avión despega, llega un momento a partir del cual ya no es posible cancelar el despegue, ya que la velocidad aumenta tanto que el avión ya no podrá detenerse dentro de la pista. A esto se le llama “velocidad en la toma de decisiones”.

El aterrizaje es un momento muy crítico del vuelo; los pilotos reducen gradualmente la velocidad, como resultado de lo cual la sustentación disminuye y el avión desciende. Justo antes del suelo, la velocidad ya es tan baja que se extienden unos flaps en las alas, que aumentan ligeramente la sustentación y permiten que el avión aterrice suavemente.

Así, por extraño que nos parezca, los aviones vuelan, y en estricta conformidad con las leyes de la física.



La mayoría de nosotros todavía nos preguntamos a veces cómo un avión que pesa hasta 600 toneladas o más puede mantenerse en el aire.

De los libros de texto escolares se desprende claramente que se elevan obedeciendo las leyes de la física, y se elevan todas las estructuras voladoras, desde aviones deportivos ligeros hasta aviones de transporte pesado o helicópteros informes. Esto sucede debido a la tracción y elevación del motor.

Casi todo el mundo conoce la frase "fuerza de elevación", pero no todo el mundo puede explicar cómo sucede. Pero, de hecho, esta acción se puede explicar sin entrar en fórmulas y axiomas matemáticos.

El ala de un avión es la principal superficie de carga del avión. Casi siempre teniendo un cierto perfil, en el que la parte superior es convexa y la inferior plana. Cuando el flujo de aire pasa por debajo de la parte inferior del perfil del avión, prácticamente no hay cambios en su estructura y forma. El flujo de aire, que pasa por la parte superior del perfil, se estrecha, ya que para el flujo de aire el plano superior del perfil es como una pared cóncava en una tubería, parece fluir a través de ella.

para ahuyentar tiempo específico Para pasar el mismo volumen de aire a través de este tubo “presionado”, es necesario moverlo más rápido. Según la ley de Bernoulli, que se enseña en el plan de estudios de física de las escuelas, cuanto mayor es la velocidad del flujo, menor es su presión. De esto se deduce que la presión sobre toda el ala y, por tanto, sobre el perfil, es menor que la presión debajo de él.

Se genera una fuerza que quiere exprimir el ala y, en consecuencia, todo el avión. Esto se llama elevación. Si supera el peso del avión, despega. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la sustentación. Si el peso de la aeronave y el valor de la fuerza de elevación son iguales, entonces la aeronave se moverá a una posición horizontal. Su motor de avión le da una velocidad bastante buena, es decir. la fuerza de tracción que crea.

Utilizando los principios anteriores, es posible, en teoría, hacer despegar cualquier objeto con cualquier masa y forma. No es un formulario estándar, es decir. diferente de los aviones es un helicóptero. Es sorprendentemente diferente de un avión, pero se eleva en el aire por la misma razón. Un helicóptero tiene un ala de perfil aerodinámico que es la pala de su rotor principal.

La pala crea sustentación al moverse en el flujo de aire a medida que gira la hélice, lo que la eleva y mueve el helicóptero hacia adelante. Esto ocurre cuando cambia el ángulo de rotación de la hélice, lo que da como resultado la aparición de una componente horizontal de la fuerza de sustentación, que actúa como fuerza de empuje del motor de la aeronave.

Algunos investigadores tuvieron ideas locas: querían volar, pero ¿por qué el resultado fue tan desastroso? Durante mucho tiempo ha habido intentos de colocarse alas y, agitándolas, volar hacia el cielo como pájaros. Resultó que la fuerza humana no es suficiente para levantarse batiendo las alas.

Los primeros artesanos populares fueron naturalistas de China. La información sobre ellos se registró en el Tsang-han-shu del siglo I d.C. La historia posterior está repleta de casos de este tipo, ocurridos en Europa, Asia y Rusia.

La primera base científica para el proceso de vuelo la dio Leonardo da Vinci en 1505. Se dio cuenta de que los pájaros no tienen que aletear; pueden permanecer en el aire en calma. A partir de esto, el científico concluyó que el vuelo es posible cuando las alas se mueven con respecto al aire, es decir, cuando baten sus alas en ausencia de viento o cuando sus alas están inmóviles.

¿Por qué vuela el avión?

La fuerza de elevación ayuda a mantenerlo en el aire, que actúa sólo a altas velocidades. La contracción especial del ala permite la creación de sustentación. El aire que se mueve por encima y por debajo del ala sufre cambios. Por encima del ala es escasa y debajo del ala es escasa. Se crean dos flujos de aire, dirigidos verticalmente. El flujo inferior levanta las alas, es decir. plano, y el de arriba empuja hacia arriba. Por lo tanto, resulta que a altas velocidades el aire debajo del avión se vuelve sólido.

Así es como se realiza el movimiento vertical, pero ¿qué hace que el avión se mueva horizontalmente? - ¡Motores! Las hélices parecen estar abriendo un camino hacia espacio aéreo superando la resistencia del aire.

Así, la fuerza de sustentación supera la fuerza de gravedad, y la fuerza de tracción supera la fuerza de frenado, y el avión vuela.

Fenómenos físicos subyacentes al control de vuelo.

En un avión, todo se mantiene en equilibrio gracias a la fuerza de elevación y la fuerza de gravedad. El avión vuela recto. Aumentar la velocidad de vuelo aumentará la fuerza de sustentación y el avión comenzará a elevarse. Para neutralizar este efecto, el piloto debe bajar el morro del avión.

Reducir la velocidad tendrá el efecto contrario, obligando al piloto a levantar el morro del avión. Si no se hace esto, se producirá un bloqueo. Debido a las características anteriores, existe el riesgo de estrellarse cuando el avión pierde altitud. Si esto sucede cerca de la superficie de la tierra, el riesgo es casi del 100%. Si esto sucede muy por encima del suelo, el piloto tendrá tiempo de aumentar la velocidad y ganar altitud.