Termodinámica y Conceptos Fundamentales

Temperatura

Es una medida de la energía cinética promedio de los átomos y moléculas en un fluido. Se puede expresar en diferentes escalas:

• Grados Fahrenheit (ºF): ºF = ºC · 1.8 + 32
• Grados Kelvin (ºK): ºK = ºC + 273.15

Presión

Es la fuerza ejercida por unidad de superficie. La presión atmosférica estándar se define como:

1 atm = 101,325 Pa = 1013.25 hPa = 760 mm Hg = 29.92” Hg

La presión (P) se calcula como: P = F/S (Fuerza/Superficie)

Densidad (ρ)

Es la relación entre la masa y el volumen de un objeto: ρ = m/V. El inverso de la densidad es el volumen específico (v): v = V/m.

Gases Perfectos

Se describen mediante la ecuación de estado: P·V = n·R·T, donde:

• P: Presión
• V: Volumen
• n: Número de moles
• R: Constante universal de los gases (8.314 J/mol·K)
• T: Temperatura en Kelvin (ºK)

Para el aire, la ecuación se puede expresar como: P/ρ = R·T o P·v = R·T, donde R = 287 J/kg·ºK (constante específica del aire).

Atmósfera Estándar Internacional (ISA)

La atmósfera se divide en capas según la latitud:

• Troposfera:
  • Valor medio: 11 km de altitud.
  • Polos: 8 km de altitud.
  • Ecuador: 15 km de altitud.

La ISA define las siguientes condiciones:

1. El aire es una mezcla de gases que se comporta como un gas perfecto.
2. A nivel del mar: T = 15ºC, P = 101,325 Pa, ρ = 1.225 kg/m³.
3. Gradientes de temperatura:
   • Nivel del mar hasta 11 km: -6.5ºC/km
   • 11 km a 20 km: Constante a -56.5ºC
   • 20 km a 32 km: +1ºC/km
4. Equilibrio vertical de fuerzas.

Magnitudes Relativas

• Temperatura relativa: Temperatura real / Temperatura estándar.
• Presión relativa: Presión real / Presión estándar.
• Densidad relativa: Densidad real / Densidad estándar.

Velocidad del Sonido y Regímenes de Vuelo

La velocidad del sonido (a) se calcula como: a = √(γRT), donde:

• γ (gamma): Coeficiente adiabático (1.4 para el aire).
• R: Constante específica del gas (287 J/(kg·K) para el aire).
• T: Temperatura en Kelvin.

El número de Mach (M) es la relación entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido en el medio circundante. Los regímenes de vuelo se clasifican según el número de Mach:

• Subsónico: M < 0.8
• Transónico: 0.8 < M < 1.2
• Supersónico: 1.2 < M < 5
• Hipersónico: M > 5

Conceptos de Flujo de Aire

Trayectorias, Líneas y Tubos de Corriente

• Trayectoria: Conjunto de puntos recorridos por una partícula fluida a lo largo del tiempo.
• Línea de corriente: Línea que, en un instante dado, es tangente a la velocidad del fluido en cada punto.
• Tubo de corriente: Región del campo fluido delimitada por líneas de corriente.

Flujo Másico (G)

Cantidad de masa de fluido que atraviesa una sección de un tubo de corriente por unidad de tiempo: G = ρ·V·A (densidad x velocidad x área).

Ecuación de continuidad: El flujo másico es constante en un tubo de corriente.

Teorema de Bernoulli

Establece una relación inversa entre la velocidad y la presión en un fluido ideal (incompresible y no viscoso): A mayor velocidad, menor presión y viceversa. Matemáticamente:

p + 1/2·ρ·V² = constante

• p: Presión estática.
• 1/2·ρ·V²: Presión dinámica.

Viscosidad y Capa Límite

Viscosidad (μ)

Es la resistencia interna al movimiento entre capas de un fluido. La viscosidad cinemática (ν) se define como: ν = μ/ρ.

Fluidos Ideales

Son incompresibles, no viscosos y no conducen calor.

Capa Límite

Es la región delgada adyacente a una superficie sólida donde los efectos de la viscosidad son significativos. Fuera de la capa límite, el fluido se comporta como no viscoso.

• Espesor de la capa límite: Distancia desde la superficie hasta donde la velocidad del fluido alcanza el 99% de la velocidad de la corriente libre.
• Punto de transición: Punto donde la capa límite pasa de laminar a turbulenta.
• Capa límite turbulenta: Mayor espesor, mayor velocidad de las partículas y mayor resistencia a la fricción que la capa límite laminar.
• Desprendimiento de la capa límite: Ocurre cuando el gradiente de presión es adverso (la presión aumenta en la dirección del flujo), lo que aumenta el espesor de la capa límite.

Número de Reynolds (Re)

Es un número adimensional que indica la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas: Re = (ρ·V·L)/μ = (V·L)/ν, donde L es una longitud característica.

• Valores altos de Re indican predominio de las fuerzas de inercia y flujo turbulento.
• Valores bajos de Re indican predominio de las fuerzas viscosas y flujo laminar.
• Número de Reynolds crítico: Valor de Re en el que el flujo pasa de laminar a turbulento (generalmente entre 500,000 y 10,000,000 para aplicaciones aeronáuticas).

Conversiones útiles:

• 1 pie = 0.3048 m
• 1 pulgada = 25.4 mm
• 1 kg = 9.8 N = 2.2 libras
• 1 N/m² = 1 Pascal (Pa)
• 1 Bar = 100,000 Pa
• Nivel del mar: 1.013 Bares = 101,325 Pa
• PSI = libra/pulgada²
• 1 Nudo = 1.852 km/h = 1 milla náutica/hora

Aerodinámica del Ala

Deflexión del Flujo y Ángulo de Ataque

• Ángulo de ataque (α): Ángulo entre la cuerda del perfil alar y la dirección del viento relativo.
• Ángulo de ataque positivo: Deflexión del aire hacia abajo, generando sustentación.
• Ángulo de ataque negativo: Deflexión del aire hacia arriba, reduciendo la sustentación.

Terminología y Geometría del Ala

• Perfil aerodinámico: Sección transversal del ala.
• Borde de ataque: Punto más adelantado del perfil.
• Borde de salida: Punto más atrasado del perfil.
• Extradós: Superficie superior del perfil.
• Intradós: Superficie inferior del perfil.
• Cuerda (c): Línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida.
• Curvatura: Línea equidistante entre el extradós y el intradós.
• Espesor: Distancia máxima entre el extradós y el intradós (generalmente entre 3% y 18% de la cuerda).
• Envergadura (b): Longitud total del ala.
• Superficie alar (S): Área del ala en planta.
• Cuerda media (c): Longitud promedio de la cuerda.
• Alargamiento (AR): Relación entre la envergadura y la cuerda media (AR = b²/S). Un mayor alargamiento reduce la resistencia inducida.
• Estrechamiento (λ): Relación entre la cuerda en la punta del ala (Ct) y la cuerda en la raíz del ala (Cr): λ = Ct/Cr.
• Flecha: Ángulo entre la línea del 25% de la cuerda y el eje transversal del avión. Puede ser positiva (hacia atrás), negativa (hacia adelante) o cero.
• Ángulo de incidencia: Ángulo entre la cuerda del perfil de referencia del ala y el eje longitudinal del avión.
• Diedro: Ángulo que forma cada semiala con el plano horizontal. Afecta la estabilidad lateral.
• Alabeo: Torsión del ala. Puede ser positivo (wash-in) o negativo (wash-out). El alabeo negativo mejora las características de entrada en pérdida.
• Cuerda media aerodinámica (CMA): Cuerda de un ala rectangular equivalente que produce la misma sustentación y momento que el ala real.

Resistencia Aerodinámica

Es la fuerza que se opone al movimiento de un objeto a través del aire. Se compone de:

• Resistencia parásita: No depende de la generación de sustentación.
  • Resistencia de fricción: Debido a la fricción entre el aire y la superficie del avión.
  • Resistencia de presión: Debido a la forma del avión.
  • Resistencia de interferencia: Debido a la interacción entre diferentes partes del avión.
• Resistencia inducida: Producida como consecuencia de la generación de sustentación. Es proporcional a la sustentación y al ángulo de ataque. Se reduce con alas de gran alargamiento.

Centro de Presiones y Centro Aerodinámico

• Centro de presiones (CP): Punto donde se puede considerar aplicada la resultante de todas las fuerzas aerodinámicas. Su posición varía con el ángulo de ataque.
• Centro aerodinámico (CA): Punto de la cuerda donde el coeficiente de momento no varía con el ángulo de ataque.

Fineza (Coeficiente de Sustentación / Coeficiente de Resistencia)

Es la relación entre la sustentación y la resistencia. La fineza máxima corresponde a la condición de máximo alcance o mínimo ángulo de descenso en planeo.