MESA 3-GRUPO 7 César Castro Rodrigo Calderon FUNDAMENTOS DE MACANICA [1] *Conservación de la cantidad de movimiento en el funcionamiento de un helicóptero. MESA 3-GRUPO 7 César Castro Rodrigo Calderon *Antes de abordar este tema, se resalta que la temática es compleja de explicar debido a los conceptos y matemática que se emplean (nivel medio de ingeniería aeronáutica). Tópicos que para su completo entendimiento, debe llevarse a cabo cierto tiempo de estudio. Por ende se dará a conocer de manera breve y muy general, como se aplica la CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL en el vuelo de un helicóptero. Bogotá, 27 de mayo de 2016

FUNDAMENTOS DE MACANICA HELICOPTERO Se define como una aeronave que es sustentada y propulsada por uno o más rotores horizontales, cada uno formado por dos o más palas. Los helicópteros están clasificados como aeronaves de alas giratorias, para distinguirlos de las aeronaves de ala fija, porque los helicópteros crean sustentación con las palas que rotan alrededor de un eje vertical.  La principal ventaja de los helicópteros viene dada por el rotor, que proporciona sustentación sin que la aeronave se esté desplazando. Esto permite realizar despegues y aterrizajes verticales sin necesidad de pista. 

FUNDAMENTOS DE MACANICA SUSTENTACIÓN Es aquella fuerza desarrollada por un perfil aerodinámico moviéndose en el aire, ejercida de abajo-arriba, y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Se suele representar con la letra L del inglés Lift = Sustentación. La aplicación más conocida es la del ala de un ave o un avión, superficie generada por un perfil alar. [2] [3] Flujo a lo largo de un perfil alar: los puntos se mueven con el flujo. Obsérvese que las velocidades son mucho mayores en la superficie superior que en la inferior. Los puntos negros están en función de la escala de tiempo y se separan a partir del borde de ataque.

FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES FUNDAMENTOS DE MACANICA FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES El rotor principal no solo sirve para mantener el helicóptero en el aire (estacionario), así como para elevarlo o descender, sino también para impulsarlo hacia adelante o hacia atrás, hacia los lados o en cualquier otra dirección. Esto se consigue mediante un mecanismo complejo que hace variar el ángulo de incidencia (inclinación) de las palas del rotor principal dependiendo de su posición.

FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES FUNDAMENTOS DE MACANICA FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES Por el principio de acción - reacción, dado que el rotor gira hacia un determinado sentido, provocará que el fuselaje gire en dirección opuesta en cuanto deje de tocar el suelo. Ese es el motivo por el que muchas aeronaves de alas giratorias llevan en su parte posterior un pequeño rotor, el cual se dispone de forma vertical y compensa con su empuje la tendencia a girar del fuselaje en dirección contraria a su rotor, manteniéndolo estable [4]

FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES FUNDAMENTOS DE MACANICA FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES Cabe resaltar que si todas las palas tienen el mismo ángulo de incidencia (30º por ejemplo), el helicóptero empieza a subir hasta que se queda en estacionario. Las palas tienen durante todo el recorrido de los 360º, el mismo ángulo y el helicóptero se mantiene en el mismo sitio. Si se hace que las palas, únicamente al pasar por el sector 0º a 180º aumenten ligeramente su ángulo de incidencia y luego vuelvan a su inclinación original, el empuje del rotor será mayor en el sector de 0º a 180º y el helicóptero en vez de mantenerse parado, tiende a inclinarse hacia adelante, ya que por efecto giroscópico la resultante aparece aplicada 90° hacia el sentido de rotación produciendo así que el empuje total se realice de manera inclinada pudiendo desplazar el aparato en función del coseno del ángulo del vector de la tracción de las palas del helicóptero. Si las palas aumentan el ángulo de incidencia en el sector de 270º a 90º, el empuje será mayor por la parte trasera y el helicóptero tiende a inclinarse hacia la derecha, al igual que en el caso anterior por efecto giroscópico. [5]

FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES FUNDAMENTOS DE MACANICA FUNCIONAMIENTO DE LOS ROTORES Angulo de ataque para que se efectué desplazamiento Funcionamiento en distintos ángulos de ataque

FUNDAMENTOS DE MACANICA EFECTO SOBRE EL SUELO Cuando el helicóptero vuela en estacionario a pocos metros del suelo (a la distancia de la longitud de una pala como máximo) está presente un efecto llamado colchón de aire o ground effect. El aire que mueve el rotor principal hacia abajo (downwash) choca contra el suelo creando una zona de alta presión entre este y el aparato, proporcionando un incremento de la sustentación de modo que no es necesaria tanta potencia como cuando el helicóptero vuela en estacionario fuera del efecto suelo (HOGE, hover out of ground effect). Asimismo, en los simuladores de vuelo se suele percibir este efecto al despegar desde un edificio, ya que el helicóptero se hunde cuando sale de él. Aprovecho para recordar que a diferencia de lo que creen algunos, el aire descendente del rotor(es) principal no es como un remolino, si no que va recto hacia abajo sin rotar como las palas. [6]

CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL FUNDAMENTOS DE MACANICA CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL La teoría de la cantidad de movimiento supone una buena aproximación inicial al comportamiento aerodinámico del rotor del helicóptero. Por tanto para evidenciar tal teoría se debe considerar: El movimiento (vuelo) es unidimensional y uniforme. El movimiento es casi estacionario, se pueden despreciar las variables temporales. Fluido incompresible. Fluido no viscoso. La estela del rotor no tiene movimiento de rotación, únicamente vertical. Sobre el fluido no se aplica ninguna fuerza externa. El rotor el modelado como un disco actuador (superficie circular de espesor nulo), lo que implica a considerar infinitas palas de espesor nulo, lo que impone: Discontinuidad en el campo de presiones. Continuidad de velocidades.

CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL FUNDAMENTOS DE MACANICA CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL Estados de operación del rotor: El flujo a través del rotor y en sus inmediaciones se comporta de forma diferente según la velocidad vertical del helicóptero. En algunos casos no es posible aplicar la teoría de la cantidad de movimiento y es necesario recurrir a soluciones experimentales. Se distinguen principalmente cuatro estados de operación del rotor. Operación normal: En vuelo ascensional y hasta el límite de vuelo a punto fijo, el flujo en el rotor es altamente periódico. Los vórtices de punta de pala están libres de perturbaciones, y siguen trayectorias helicoidales suaves y bien definidas. [7]

CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL FUNDAMENTOS DE MACANICA CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL Anillos turbillonarios: Para velocidades de descenso bajas, del orden de los vórtices de punta de pala se desplazan hacia el plano del rotor y hacia el exterior de las palas, generando una situación no estacionaria y aperiódica, donde se acumulan los vórtices formando una serie de anillos. No es posible distinguir una superficie que defina la estela, lo que impide aplicar la teoría de la cantidad de movimiento. Además en estas condiciones aumentan las vibraciones y se dificulta el pilotaje. [8] Estela turbulenta: Para velocidades de descenso medias, del orden de la estela se vuelve aún más turbulenta, y el flujo es similar al de un cuerpo no aerodinámico. Tampoco se puede identificar la estela, de forma que tampoco se puede aplicar en este caso la teoría de la cantidad de movimiento. [9]

CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL FUNDAMENTOS DE MACANICA CONSERVACION DEL MOMENTUM LINEAL Molinete frenante: Si la velocidad de descenso es elevada, la estela vuelve a estar definida, y la teoría de la cantidad de movimiento se puede volver a aplicar. En esta situación el rotor extrae energía del flujo. [10]

FUNDAMENTOS DE MACANICA CONCLUSIONES: Según lo analizado se concluye: La teoría de la conservación del momento lineal describe el flujo en el rotor de manera global. Se basa en hipótesis (discutibles) de uniformidad en las distribuciones de velocidad y presión. La conservación del momento lineal no es totalmente valida en aspectos como: Corrientes definidas dejan de existir. El flujo de aire puede adoptar dos posibles sentidos (arriba- abajo) simultáneamente. Al no poderse aplicar la conservación del momento lineal para ciertos aspectos del vuelo, estos deben realizarse experimentalmente como: Estela turbulenta. Anillos de vórtices.

FUNDAMENTOS DE MACANICA REFERENCIAS: Vuelo axial, (s.f.), Recuperado de: http://www.aero.us.es/heli/downloads/0809/tcmVueloDescendente.pdf Vuelo axial 2, (s.f), Recuperado de: Vuelo axial, (s.f.), Recuperado de: http://www.aero.us.es/heli/downloads/0809/tcmVueloDescendente.pdf Vuelo axial 2.1, (s.f.), Recuperado de: http://www.aero.us.es/heli/downloads/0910/22tcmVueloAscendente_alum.pdf Teoría de cantidad de movimiento, (s.f.), Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cantidad_de_movimiento

FUNDAMENTOS DE MACANICA REFERENCIAS VIDEOS: https://www.youtube.com/watch?v=0KogvOTujFQ https://www.youtube.com/watch?v=Y_2_LNQiDoI https://www.youtube.com/watch?v=VeStpp3aniU https://www.youtube.com/watch?v=5QnsGVmjL8w

REFERENCIAS IMAGENES: FUNDAMENTOS DE MACANICA REFERENCIAS IMAGENES: [1] http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV13.html [2]http://lascosasdejuampa1.blogspot.com.co/2016/03/imagenes-para-photoscape-photoshop-y_12.html [3]https://es.wikipedia.org/wiki/Sustentaci%C3%B3n [4]http://helitrastorno.blogspot.com.co/2014/12/el-complejo-vuelo-de-los-helicopteros.html [5]http://helitrastorno.blogspot.com.co/2014/12/el-complejo-vuelo-de-los-helicopteros.html [6]http://helitrastorno.blogspot.com.co/2014/12/el-complejo-vuelo-de-los-helicopteros.html [7]https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cantidad_de_movimiento [8]https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cantidad_de_movimiento [9]https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cantidad_de_movimiento [10]https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_cantidad_de_movimiento