AERODINÁMICA BÁSICA Y CONTROL DE UN AEROMODELO (para novatos)

Antes de leer este tema, te recomiendo que aprendas los nombres de cada parte de un avión en el link adjunto, pues así nos referiremos a ellas. https://aeromodelismohuasco.blogspot.com/2010/01/componentes-de-un-aeromodelo.html

AERODINÁMICA BÁSICA Y CONTROL DE UN AEROMODELO (para novatos)

Un avión es un avión y nada diferencia a un avión radiocontrolado de un avión de pasajeros o de combate (Escala 1:1), en cuanto a los principios básicos que los gobiernan, se refiere; estos principios trabajan exactamente igual en ambos, sólo que en menor proporción y con cálculos mucho más sencillos en los aeromodelos.

Aclarado lo anterior, entonces debemos saber que existen cuatro (4) fuerzas principales que actúan sobre un avión en todo momento, (incluso en tierra y con el motor apagado). Estas fuerzas básicas son; POTENCIA (Tracción o empuje), RESISTENCIA, SUSTENTACION Y PESO.

Así mismo, en un avión se cuentan con 3 ejes imaginarios sobre los cuales se desplazan y actúan estas fuerzas:

- EJE LONGITUDINAL que corre desde el spinner o la nariz del avión y hasta el empenaje o cola del avión.
- EJE HORIZONTAL O TRANSVERSAL que corre definitivamente de un extremo del ala al otro, por la sección llamada "Centro de gravedad" y que en los aviones de ala recta está, por lo general, en la parte más gruesa del perfil.
- EJE VERTICAL marcado desde la parte alta del avión hacia la parte baja.

El punto geométrico en el cual convergen los tres ejes es el CENTRO DE GRAVEDAD DEL AVION y que corresponde al punto de balance en que el ala trabaja en forma más eficiente.

Sabiendo lo anterior; entonces, haremos una breve descripción de las fuerzas anteriormente mencionadas:

POTENCIA (Tracción o empuje). Esta fuerza es proporcionada por el motor y la hélice, turbina, cohete o cualquier otro medio de impulso. Su acción está dada sobre el EJE LONGITUDINAL y en dirección contraria a la RESISTENCIA (avance).

RESISTENCIA. Se genera en el choque del aeroplano contra el fluido aéreo al avanzar. Es decir; La resistencia del aire en el que se desplaza la aeronave. Igualmente tiene sus efectos en el eje LONGITUDINAL y en dirección contraria a la POTENCIA.

SUSTENTACION. Una de las más complejas de explicar. Se genera en la superficie del INTRADOS y es la fuerza que mantiene al avión en el aire. (EXTRADOS = superficie superior del ala. INTRADOS = Superficie debajo del ala ). Su campo de acción esta dado sobre el eje vertical y en dirección contraria al peso.

PESO. Es generada por la fuerza de gravedad, siempre en dirección al centro de la tierra y en relación directa con la masa del avión (es indiferente a la posición del avión). Sobra decir que el eje de acción es el eje vertical.

Generalmente de todas las fuerzas descritas, gana el PESO, pues el peso es consecuencia directa de la gravedad y tiene la tendencia a transformar nuestros hermosos aviones en feas bolsas de supermercado llenas de restos).

Entonces, las fuerzas actúan de la siguiente forma: (Imaginemos lo siguiente); una vez encendido el motor y al ralentí (bajo régimen de revoluciones), comenzamos a acelerar el avión y la Potencia generada por la hélice comienza a vencer la inercia del avión (Peso) y la Resistencia del aire; entonces el avión avanza. Conforme la potencia se hace mayor a la resistencia se obtiene aceleración.

Con el avión ya en movimiento, obviamente el ala se pone en movimiento dentro del fluido que es el aire y este se divide en el Borde de Ataque por sobre y bajo el ala desplazándose a una velocidad directamente proporcional a la velocidad del avión. Aquí comienza la magia!!!… La capa de aire sobre y bajo el ala recibe el nombre de lámina de aire. Como vimos que Bernoulli dijo; “a mayor velocidad, menor presión” (http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli]http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Bernoulli), entonces, el aire es muy obediente y el flujo que pasa por arriba aumenta su velocidad bajando su presión y el diferencial de la presión entre el extrados y el intrados combinado con un adecuado ángulo de ataque del ala, genera la fuerza de SUSTENTACION que hace que el avión se eleve del piso venciendo el peso.
¡¡¡Es exactamente igual para un avioncito de madera de 2,5 kg de peso y 1.8 mts de punta a punta de ala (envergadura) a un Airbus A380 de 560 toneladas y 79,75 mts de envergadura!!!

La relación más importante en un avión es la capacidad de sustentación basada en la superficie alar (la superficie total del intrados). Cuanto mayor sea la superficie alar, mayor capacidad de sustentación tendrá la nave a bajas velocidades. El segundo componente es el diseño del perfil del ala.

Con estos conocimientos básicos, tenemos entonces que hay distintos tipos de alas apropiadas para cada propósito según su perfil, forma y posición.

PERFIL DEL ALA

Si se fijan en los perfiles de las alas; estos poseen una forma fusiforme, con el frente redondeado, más grueso y corto (borde de ataque), una cola larga que va decreciendo hasta terminar en punta (borde de fuga) y un extrados con mayor curvatura que el intrados.

El aire al pasar por esta forma (perfil), se divide en dos y la porción superior trata de mantener su tasa de desplazamiento con respecto del aire que pasa por la parte inferior y al ser más curvada, la distancia es mayor; por lo tanto se acelera más y al acelerarse, baja la presión, lo que provoca que el ala del avión sea empujada más arriba por la mayor presión que hay debajo.

Los perfiles de ala varían de acuerdo con el tipo de vuelo que tendrá el avión. Para vuelos estables con pocas o ninguna maniobra acrobática, como en el caso de los trainers, las alas rectas de intrados plano son las más recomendadas. Para modelos más avanzados existen perfiles alares semi-simetricos y simétricos (intrados y extrados convexos) que permiten el vuelo invertido.

ANGULO DE DIEDRO ( Dihedral )

El ángulo de diedro es el ángulo formado por las alas con respecto de un plano horizontal imaginario. Este ángulo similar a una V, al centro mismo de ala, permite el desplazamiento de la lámina de aire con tendencia del centro del ala hacia los extremos haciendo la sustentación más fácil y agregando componente de autocorrección. No todas las alas cuentan con ángulo de diedro y éste no será el mismo para todas las alas. Una vez más, el ángulo de diedro es en función del objetivo del ala, pudiendo ser este simple (V central), compuesto (W con varios diedros), positivos o negativos.

POSICIÓN DEL ALA

Otro factor fundamental en el diseño de un avión es la posición del ala con respecto del eje Longitudinal. Tenemos 3 tipos básicos; ALA ALTA, ALA MEDIA y ALA BAJA. La diferencia entre estas tres disposiciones es la forma en que manejan la distribución del peso.

ALA ALTA; El ala en la parte superior del fuselaje permite el peso del avión por debajo del ala. Esto hace que la aeronave sea bastante estable y con tendencia a la corrección. (ej. Trainers, Cessna, Piper Cub, etc.). La intrados plana mantiene mejor contacto con la lamina de aire haciendo el vuelo estable.

ALA MEDIA; El diseño por excelencia para modelos acrobáticos iniciales. El ala en esta posición permite mayores velocidades y giros sobre el eje longitudinal del avión. (Ej. P51D-Mustang, Extra 300, F-104 Starfighter, etc.)

ALA BAJA; Para expertos. Este diseño distribuye la totalidad del peso sobre el ala y hace que el control de la aeronave sea más complicado. La ventaja que aporta es un diseño mucho más robusto y amplía la capacidad de carga del avión (ej. DC-3 y aviones comerciales típicos, aviones de guerra). El ala baja mantiene mayor contacto alar con el aire ya que se emplea toda la superficie del ala incluido el centro de la misma lo que no sucede con las otras dos configuraciones.

SUPERFICIES DE CONTROL

(Nota: Para ilustrar el uso del radiocontrol con los movimientos de las superficies de mando usaremos la siguiente nomenclatura basada en el Modo 2 de configuración del radio control:RS= Stick derecho. LS= Stick izquierdo)

Las superficies de control son las partes móviles de las SUPERFICIES DE SUSTENTACIÓN del Avión y que permiten el cambio de actitud a voluntad.

Hay que considerar que un avión no es igual que manejar un automóvil, pues se mueve en un ambiente tridimensional, en el cual se puede subir y bajar a voluntad (o contra ella  ;D). Un vuelo armonioso y coordinado sólo se logra con práctica y teniendo en mente el funcionamiento de las distintas superficies de control.

SUPERFICIES DE CONTROL EN EL ALA

El ala, siendo la principal superficie de sustentación, cuenta con los ALERONES. Ubicados en el borde de salida del ala, permiten el control de la presión de la lamina de aire sobre y bajo del ala aumentando o disminuyéndola, modificando la curvatura del ala, para balancear el componente de sustentación y permitir al avión girar sobre su eje longitudinal. A este movimiento se le conoce como alabeo (Roll). (Controlado con el RS, de izquierda a derecha).

Los alerones trabajan en forma asimétrica. Es decir; si el alerón Izquierdo sube, el derecho baja y viceversa. Por ejemplo; cuando el alerón del ala derecha baja, la lámina de aire del intrados se comprime y la del extrados se acelera disminuyendo su presión, por lo tanto esa ala sube por el diferencial de presiones. En el ala contraria, al subir el alerón, se aumenta la presión en el extrados, por lo tanto esa ala baja. Mientras más baje o suba un alerón, mayor será el diferencial de presiones, haciendo más rápido el alabeo.

En algunos modelos medios o avanzados, se encuentra otra superficie, ubicada al lado interno del ala llamada FLAPS. Si bien no es una superficie de control, propiamente tal, su función principal es aumentar la sustentación del ala por modificación de su curvatura. Esto logra que el avión sea más controlable a menores velocidades y acorta la carrera de aterrizaje o despegue. 

SUPERFICIES DE CONTROL EN LA COLA

En la cola encontramos una estructura, generalmente cruciforme, con partes fijas y móviles, encargadas del control. Este conjunto completo se denomina Empenaje y lo conforman los estabilizadores vertical y horizontal más el timón y el elevador.

El Estabilizador horizontal es una pequeña ala situada en el extremo posterior del fuselaje y su objetivo principal es proporcionar sustentación a la cola del avión, en forma muy parecida a las alas. El perfil alar de intrados y extrados del estabilizador es simétrico, por lo que el diferencial de presión al movimiento es inexistente y la superficie se limita a equilibrar el empenaje. En el borde de fuga de esta estructura, ubicamos el Elevador.

EL ELEVADOR (o timón de profundidad): (Controlado por el RS, arriba-abajo); Se presentan en configuraciones de una pieza completa o dos piezas separadas por el fuselaje o por el Timón. A diferencia de los alerones, los elevadores operan en forma simétrica. El efecto de su operación se refleja en la ACTITUD del avión para ASCENDER o DESCENDER. A este movimiento se le denomina Cabeceo (Pitch). (Cuando levantas el RS el avión baja la nariz como si empujaras de ella. Cuando bajas el RS, el avión levanta la nariz como si tiraras de ella)

Cuando operan los elevadores hacia abajo (RS adelante), la presión bajo el timón de profundidad aumenta generando la diferencia que hace que todo el empenaje ascienda y con el apoyo del eje horizontal, el morro o nariz del avión descienda (como el balancín del jardín de niños). De la misma forma, al subir el elevador (RS atrás), la presión en el extrados del estabilizador horizontal se incrementa y empuja la cola hacia abajo con la consecuente respuesta del balance de morro hacia arriba. Tenemos entonces las actitudes de ascenso y descenso controladas por los elevadores. El factor que gobierna esta acción es el ANGULO DE ATAQUE de las alas principales.

La tercera y última superficie de control es la DERIVA o ESTABILIZADOR VERTICAL y el TIMÓN DE DIRECCIÓN del avión. Situada en el extremo posterior del fuselaje, la deriva estabiliza el movimiento del avión sobre su eje vertical, actuando como una veleta manteniendo el avión en ruta. Su funcionamiento aerodinámico es muy parecido al estabilizador horizontal e igualmente El perfil es simétrico lo que establece un nulo diferencial de PRESIÓN en las caras izquierda y derecha del plano.

EL TIMÓN DE DIRECCIÓN, al igual que el elevador; el timón actúa por diferenciales de presión y su función es de pivotear  el eje VERTICAL, el MORRO del avión se desplaza a la DERECHA y viceversa. A este desplazamiento se le denomina GUIÑADA (Yaw). (Controlado por el LS, de derecha a izquierda).

El timón es especialmente útil en vuelos acrobáticos y durante las fases críticas de aproximación, aterrizaje y despegue. Es tan importante que su uso en toda la envolvente de vuelo, distingue a los buenos pilotos.

TIMÓN, TIMÓN, TIMÓN…

El uso correcto del timón comprende, giros, acrobacias, estabilización en vientos cruzados, mantención de actitud de vuelo, carreteo, etc. Generalmente los pilotos novatos o despreocupados no usan el timón en forma frecuente, limitándolo sólo a las funciones de carreteo y pista, volando el resto del tiempo sólo con alerones y elevador (como una Ala Zagi). Este tipo de vuelo es muy sucio a la vista, pues el avión pareciese que va revoloteando en vez de presentar un vuelo fluido y armonioso.
No nos engañemos con la denominación Timón, pues si bien a simple vista pareciese que cumple la misma función de homónimo marítimo, su uso es más complejo, ya que la embarcación acuática navega posada sobre la superficie líquida (en un ambiente “bidimensonal” de izquierda y derecha, adelante y atrás, a menos que choque contra un iceberg..), en cambio el avión navega inmerso en el fluido gaseoso (ambiente “tridimensional”, en donde agregas el componente vertical).
Por ejemplo: en el caso de una lancha; basta virar el timón en el sentido que necesite que se desplace la proa, para que esta función se realice sin mayores sorpresas. En cambio, y dependiendo de la velocidad del avión; si viras el timón en el sentido que necesites que guiñe la nariz del avión, te encontrarás que el avión mantiene una actitud de derrape y luego hunde el morro hacia el sentido de giro, terminando en un picado hacia la santa pachamama si no actúan las otras dos superficies de mando (alerones y elevador). Esto ocurre porque el ala hacia donde gira el morro del avión, se desplaza a menor velocidad que la otra, entonces genera menor sustentación y el avión “bota esa ala”. 

¿Y cómo se gira?.

Para hacer un giro estabilizado y limpio, debes usar los 4 mandos del avión a saber: Timón, alerones, elevador y potencia. Entonces, el giro se realiza de la siguiente forma (ejemplo, giro a la izquierda):
- Aceleras ligeramente el motor del avión (LS ligeramente arriba)
- Das timón en el sentido que necesites girar. (LS a la izquierda)
- Aplicas ligeramente elevador para que la nariz del avión no baje. (RS ligeramente atrás)
- Evitas que el avión “bote el ala” del sentido de giro aplicando alerones contrarios. (RS ligeramente a la derecha)
(los tres últimos pasos se hacen casi al mismo tiempo).
Realizando este procedimiento, el avión hace un elegante giro, manteniendo permanentemente la altura y una inclinación moderada de las alas.

Ya pueden traer su lindo avión de vuelta… ahora a practicar y practicar... y hacer caso a su instructor!!!