por Sebastiá Riverós
1º Parte
CONCEPTOS BASICOS DE AERODINAMICA I
Lejos
de la creencia popular de que una vela o kite vuela porque “embolsa”
el viento. Demostraremos que el concepto correcto es que la vela genera una
fuerza relacionada íntimamente con la velocidad del viento y la diferencia
de presión. Esta fuerza luego se descompone en dos direcciones (paralela
y perpendicular al viento relativo) y se obtienen las conocidas fuerzas
denominadas Resistencia (Drag en ingles) y Sustentación (Lift en ingles)
respectivamente.
La
teoría de sustentación tiene su base en la aplicación
de un teorema llamado Teorema de Bernoulli que expresa lo
siguiente:
P = p0+1/2 Á V2 =
Constante
Donde:
P:
presión total
p0:
presión estática
1/2
Á
V2: presión
dinámica
Á: densidad
del aire (constante a la misma altitud)
V: velocidad
relativa del aire
Y
que expresado en palabras seria algo como: “La presión total
es la suma de las presiones estática y dinámica y permanece
constante siempre” Esta presión total se mantendrá constante
para una altitud de vuelo constante (en nuestro caso nivel del
mar).
Supongamos ahora que tenemos un perfil alar cualquiera (figura 1), en una corriente de aire. Como se puede apreciar en la figura, el recorrido de la partícula 1 que circula por la parte superior del perfil (extradós) es mas extenso que el recorrido de la partícula 2 que circula por la parte inferior del perfil (intrados). Entonces para llegar a destino al mismo tiempo, la partícula 1 deberá moverse mas rápido que la 2 (se debe hacer la salvedad que este fenómeno se cumple a bajas velocidades, donde el aire se considera incompresible).
Entonces
manteniendo la primera premisa (Teorema de Bernoulli) que decía que
la presión debe mantenerse constante y como la velocidad de la
partícula 1 es mayor que la velocidad de la partícula 2, queda
una sola posibilidad de que la igualdad se mantenga y es que la presión
p1 disminuya. Esto crea una depresión en el extradós que es
la causal principal de la sustentación y la
resistencia.
p1 +1/2 Á
V12= p2 +1/2 Á
V22=
constante
2º Parte
CONCEPTOS BASICOS DE AERODINAMICA II
Perfil Alar
Se denomina "perfil alar" a la sección transversal del ala/vela. Para
los que no tienen idea de que es un corte transversal, es como si
cortáramos el barrilete desde el borde de ataque hasta el borde de
fuga. Si miramos de costado este corte veremos una forma como la de la figura
1, el cual es el "perfil alar". En los barriletes tipo foil, este perfil
es el que le da forma a las celdas ya que son las paredes laterales de
estas.
Figura 1
Para determinar la posición relativa del perfil respecto del viento relativo, es preciso fijar una recta imaginaria al perfil. Esta recta se denomina "cuerda" del perfil y en general se toma coma la línea que une el borde de ataque con el de fuga del perfil (figura 2).
Figura 2
El ángulo que forma la dirección del viento relativo con la cuerda se llama "ángulo de ataque" y se lo denota con la letra griega alfa (a).
Si descomponemos la fuerza que genera el perfil en dos reacciones, una paralela al viento relativo y la otra perpendicular a este, obtenemos lo que se denomina por definición SUSTENTACION (L: Lift) y resistencia (D: Drag).
Un perfil debe estar caracterizado por dar una reacción útil al ala/vela/kite cuando se lo somete a una corriente de aire que tenga un movimiento relativo respecto a el.
Desgraciadamente la ciencia aerodinámica no esta lo suficientemente adelantada como para poder determinar por completo la reacción aerodinámica sobre un ala/vela de un perfil determinado. Por ello ha sido necesario recurrir a métodos experimentales, realizados en laboratorios aerodinámicos con túneles de viento.
De estas experiencias surgen las ecuaciones de las fuerzas de Sustentación y Resistencia que son:
Sustentación è L = ½ ? S V2 CL
Resistencia è D = ½ ? S V2 CD
Donde:
S: Superficie del ala/vela
V: Velocidad del viento relativo
CL: Coeficiente de sustentación (empírico depende de la forma del perfil)
CD: Coeficiente de resistencia (empírico depende de la forma del perfil)
?: densidad del aire (constante a la misma altitud)
De aquí se pueden sacar varias conclusiones, que propongo a continuación. Por ejemplo, si los parámetros como la densidad del aire y los coeficientes de Sustentación y Resistencia se mantienen constantes y solo variamos la superficie del ala y la velocidad del viento relativo. (Decimos viento relativo porque es el viento que "siente" la vela. Si la vela esta quieta en el cenit, tendrá un viento X determinado por el clima, pero si la movemos rápidamente de un lado a otro, el viento continua siendo el mismo, pero el viento relativo que "siente" la vela es mucho mayor. Se entiende? sino ver otro ejemplo al final).
Entonces, continuando con el análisis decimos que Si aumentamos al doble la superficie de la vela, la sustentación se duplica, ahora si lo que aumentamos al doble es la velocidad, la sustentación se cuadriplica.
Esto esta provocando un gran debate entre la comunidad "kitera", ya que nos esta diciendo que una vela mas grande no siempre empujara mas que una con menor superficie pero mas rápida. Para pensar, no?...
Para los que no entendieron el concepto del viento relativo, pongamos un nuevo ejemplo. Supongamos un día con viento nulo, vamos a volar en un avión jet. Una vez en vuelo, el viento sigue siendo nulo, pero el viento relativo que "siente" el avión es de unos 800 Km./h. Es decir, es lo mismo que el aire este quieto y que el avión se desplace, que el avión este quieto y sea el viento el que genere sustentación. Es por esto que ante grandes ráfagas de viento los aviones pequeños deban anclarse al suelo (Pero esto es parte de otra historia). Volviendo a los barriletes podemos afirmar que no interesa si el aire esta quieto o no lo que interesa desde el punto de vista aerodinámico es justamente el viento relativo ya que es este el que generara la sustentación.
