miércoles, 11 de abril de 2007

AUTOGIROS Y HELICÓPTEROS


Se da la curiosa circunstancia de que todos los ingenieros aeronáuticos españoles quieren ser como Juan de la Cierva (que, aunque parezca mentira, era ingeniero de caminos; pero eso es secundario). Por si los chorlitos más despistados aún están preguntándose por qué un ingeniero aeronáutico español querría algo así, os pondré un poco en situación sobre quién fue Juan de la Cierva (con el que, por inverosímil que parezca, yo no tengo parentesco ni parecido alguno).

Pues bien, Juan de la Cierva fue el inventor del autogiro, y además era de Murcia (de nuevo entran en juego las pasiones chovinistas humanas). Y si eso tampoco os dice nada, os chivaré que el autogiro fue el precursor del helicóptero moderno. Es una especie de “cruce” entre helicóptero y avión: tiene unas alas muy cortas (o incluso carece de ellas), una hélice como las avionetas y un rotor como el de los helicópteros. No es capaz de hacer despegues verticales ni vuelo a punto fijo (es decir, quedarse quieto en el aire), pero puede volar a velocidades muy bajas y casi no necesita pista para despegar y aterrizar.

Autogiro Cierva C8W

Su principio de funcionamiento es en realidad el mismo que el de los helicópteros, que a su vez es muy parecido al de los aviones. Hemos explicado anteriormente que los aviones vuelan debido a la sustentación producida por sus alas al atravesar el aire con cierta velocidad. Pues bien, si en lugar de tener las alas fijas al fuselaje del avión las hacemos girar en un rotor, atravesarán el aire con la velocidad de dicho giro a pesar de que la aeronave permanezca quieta con respecto al mismo. Con lo cual no hace falta desplazamiento para poder volar (aunque pueda parecer un invento muy original, lo de las alas móviles es algo que tanto las aves como los insectos hemos dominado mucho antes que ellos; y el vuelo a punto fijo tampoco es un logro exclusivo suyo -no hay más que fijarse en los colibríes y las libélulas-).

Colibrí en vuelo a punto fijo

La diferencia fundamental entre un helicóptero y un autogiro estriba en que hay un motor que mueve el rotor del helicóptero, mientras que en el caso del autogiro el movimiento del rotor está inducido por el propio aire, y el motor se sitúa en la hélice del morro, que es la que proporciona el empuje hacia delante. (El siguiente vídeo es un poco largo y está en inglés, pero las imágenes son muy interesantes e ilustran muy bien el funcionamiento del autogiro, además de mostrarnos algunas de las dificultades con las que se encontró Juan de la Cierva a la hora de desarrollarlo.)

La propiedad que tiene el rotor de girar sin la ayuda de un motor, debido únicamente a la velocidad del aire, se denomina autorrotación. La fuerza producida por la corriente de aire que atraviesa un rotor en autorrotación tiene dos componentes: una, en dirección vertical, que es nuestra conocida sustentación, y otra, horizontal, que es la que se encarga de hacer que giren las palas. Por tanto, es el propio vuelo del autogiro lo que permite que siga volando (he aquí una recursión aerodinámica). En caso de que se detuviera la hélice propulsora, el autogiro caería, aunque no lo haría como una piedra. Sería una caída relativamente suave, ya que el rotor continuaría girando debido a su desplazamiento a través del aire, lo que proporcionaría sustentación (aunque no la suficiente para detener la caída por completo). En caso de fallo del motor, un piloto de helicóptero lo suficientemente hábil puede hacer un aterrizaje de emergencia en autorrotación.

Situación de vuelo normal y autorrotación de un helicóptero

El primer vuelo de un autogiro fue el 9 de enero de 1923. Juan de la Cierva siguió investigando y mejorando su invento, y numerosos países se interesaron por el aparato. Finalmente, de la Cierva firmó un contrato con una compañía escocesa e instaló su fábrica en Inglaterra (Cierva Autogiro Company). Sin embargo, un accidente aéreo en un vuelo comercial en el 36 supuso la muerte de Juan de la Cierva, y con ella el desarrollo del autogiro se vio interrumpido. A pesar de ello se utilizaron algunos autogiros en la Segunda Guerra Mundial, y, cuando la guerra acabó, el interés por el invento resurgió, lo que llevó a los autogiros modernos y, más importante, al desarrollo de los helicópteros actuales.

Autogiro ELA-07 Casarrubios

Aunque el principio del perfil sustentador, que también utilizan los autogiros y los helicópteros en sus palas, está basado en la forma de nuestras alas, todavía no he visto a ningún pájaro que vuele haciéndolas girar sobre su cabeza (que por otro lado es una idea a primera vista tan absurda que eso no es de extrañar... obviamente sólo podía ocurrírsele a un humano). Así que supongo que, por esta vez, habrá que concederles el crédito de haber inventado algo (casi) completamente nuevo. Parece que, de vez en cuando, hasta los humanos se sienten inspirados...

16 piopíos:

El Otro dijo...

Entonces podrías resolver unas dudas (o leyendas urbanas) que tengo pendientes:

1) ¿Un Helicoptero puede hacer un looping?

2) ¿Un Helicoptero puede salir de barrena? (más importante ¿puede entrar en barrena?)

3) ¿Puede activarse el rotor y el giro de las hélices cuando está en caida libre?

Obviamente mis dudas viene generadas por el cine de acción (Trueno Azul y Los Angeles de Charlie 2, por ejemplo).

De nuevo muchas gracias por tus explicaciones.

El Otro

Lyd dijo...

A ver si soy capaz de contestarte:

1) Sí, un helicóptero puede hacer un looping. Cada pala del helicóptero puede controlar su ángulo de ataque de forma independiente, lo que proporciona al piloto la capacidad de dirigir la fuerza producida por el rotor hacia donde él quiera (dentro del margen que le permita el propio mecanismo de articulación del rotor, claro). Haciendo que las palas tengan ángulo de ataque negativo es posible el vuelo invertido, y por lo tanto la realización de loopings, toneles y todas esas piruetas que se pueden hacer en el aire. Échale un vistazo a esto, que es muy impresionante.

2) Puede entrar en barrena y puede salir de ella, ya que el rotor puede entrar en pérdida como cualquier ala. Creo (pero esto es sólo una suposición) que debería ser más fácil recuperarse de la barrena en un helicóptero que en un avión, ya que la flexibilidad del rotor proporciona mucha más capacidad de reacción.

3) En caída libre el rotor tiende a girar él solo en autorrotación (lo que hace que la caída sea controlada), aunque para ello la posición del rotor respecto a la corriente de aire debe ser una determinada y es el piloto el que debe maniobrar correctamente para que la autorrotación se produzca. Si el motor funciona, de todos modos, debería poderse controlar el giro del rotor en cualquier situación.

Espero haberte resuelto las dudas (y, sobre todo, no haber metido ninguna pifia, porque todavía no he aprobado la asignatura de helicópteros...)

El Otro dijo...

Dudas resueltas, ¡muchas gracias! yo me imaginaba que lo que veía en las películas era imposible pero ya veo que es sólo mi ignorancia.... hablando de 'escenas' aeronaúticas ya sé que hay muchas pero me resultó casi creible la escena con el avión al principio de "GoldenEye" (con Pierce Brosman como 007)

El Otro

Lyd dijo...

Creo que no he visto esa película. Vi una de las de Pierce Brosnam hace unos años, esa en la que Madonna cantaba el tema principal, pero no me acuerdo de la escena que dices (seguramente no es la misma peli). Supongo que tendré que verla ;)

Maldita indecisión dijo...

Yo sí se cual es la película esa.... en la escena que comenta, un aeroplano cae por un barranco, en vertical hacia abajo y nuestro amigo 007 salta detrás del avión, controla su propia caída de manera que puede alcanzar al avión, meterse en él y maniobrarlo justo a tiempo para no acabar estampado en el suelo del barranco.

Yo creo que eso debe ser imposible, puesto que ¿como podría Pierce Brosnan descender más rápido que una avioneta que pesa más y además está aerodinamicamente diseñada?

Lo que no recuerdo es si el motor ya estaba encendido...

Lyd dijo...

Sí, tiene pinta de ser una buena fantasmada (por otro lado, algo totalmente natural en las pelis de 007) xD

Sólo un par de apuntes:Cuando dos cuerpos caen, su velocidad depende única y exclusivamente de su aerodinámica, nunca de su peso (en el vacío, la avioneta y Pierce Brosnam caerían exactamente a la misma velocidad), ya que la aceleración de los dos es la misma (la gravedad). Y la resistencia aerodinámica de la avioneta podría ser mayor que la de Pierce Brosnam cayendo en picado alineado con la corriente de aire, ya que es mucho más grande (un diseño aerodinámico no elimina la resistencia del aire: los aviones necesitan el empuje del motor para poder vencerla; aunque sí que es cierto que se procura minimizarla). Sin embargo, una persona, si se alinea con la corriente, puede resultar bastante aerodinámica también, puesto que su sección transversal es pequeña en comparación con la longitudinal (es lo que técnicamente se llama un cuerpo esbelto, como los misiles).

Desde luego, en caso de que el motor estuviera funcionando y produciendo empuje, Pierce Brosnam no tendría nada que hacer. A no ser que convirtiera sus zapatos en mini-reactores, claro! xD

Lyd dijo...

Pensándolo bien, realmente lo que determinaría si 007 alcanza a la avioneta o no sería la velocidad vertical con la que se lanzara al barranco. Despreciando la resistencia del aire (hemos quedado en que ambos cuerpos son bastante aerodinámicos, así que podemos suponer que su resistencia es pequeña), y como la aceleración a la que están sometidos es la misma, la única forma en que Pierce Brosnam puede alcanzar la avioneta es lanzándose hacia abajo con una velocidad inicial mayor que la que lleva su objetivo en ese instante (y cuanto mayor sea la diferencia, antes la alcanzará).

No sé cuál es la velocidad de caída de la avioneta cuando Pierce Brosnam se lanza. Apostaría cualquier cosa a que, de ser una situación real, Pierce Brosnam tendría que ser lanzado hacia abajo por un cañón o algo parecido para poder alcanzarla...

pipistrellum dijo...

Un helicoptero tambien podria hacer un loop sin invertir el angulo de la palas, al igual que en una montaña rusa la fuerza centrifuga puede mantenerte en la parte superior del loop.
No se si me explicado pero creo que se entiende.

Si me permites, bueno antes ya me lo diste :P, te voy a hacer una correccion. Lo de antes era un añadido ;)
Creo que no me equivocare, pero si no corrigeme tranquilamente.


El peso si influye en una caida. Dos globos identicos uno con agua y otro con aire o incluso CO2 para que sea mas pesado, Caeran a velocidades diferentes :)

En una caida en la atmosfera, influyen la densidad del aire, el peso del objeto y su resistencia aerodinamica sCX.

En el vacio la gravedad produce una fuerza equivalente al peso/masa del objeto. Mas fuerza, mas peso. Se equilibran y al final la aceleracion es la misma.
Sin embargo, en la atmosfera ademas se encuentran con otra fuerza, la resistencia atmosferica.
Cuando el peso es muy pequeño en relacion a la resistencia atmosferica, la caida es mas lenta. La velocidad terminal es menor y la aceleracion hasta que se llega a la velocidad terminal tambien es menor .
Luego si influye el peso. Estas cosas se enseñan a medias en el cole. Piensas "Vale". Pero no te terminas de quedar agusto hasta que te enteresas del todo.


No estoy seguro del todo, pero creo que caera mas rapido un tanque de plano que una pelota de pingpong.
Y eso que la pelota es mucho mas aerodinamica :)


Creo que hay un video de un paracaidista que se tira y la avionenta empieza a caer y el paracaidista la alcanza. No parece que sea vertical del todo, a ver si lo encuentro.
No se cual seria mas aerodinamico si una avioneta o paracaidista de canto.
Pero bondo tiene otra posibilidad. Meterse en el rebufo, ahi va atener muchas menos turbulencia y podria alcanzarla.
Lo malo es si esta muy lejos. Puede que la estela turbulenta se haya disipado y ademas no se ve y seria dificil encontrarla.

En paracidismo es bastante peligroso pasar por encima de otro paracaidista. Como la resistencia se reduce un monton, se cae durante muchos metros y se coge basatante velocidad relativa.
En la tele salio un caso, y no se si uno o los dos quedo inconsciente.

Lyd dijo...

Pues no estoy de acuerdo contigo, Pipistrellum. En el caso que mencionas del globo de agua y el de aire (o CO2) estás olvidando tener en cuenta algo muy importante: el principio de Arquímedes. El empuje al que los dos globos están sometidos será el mismo, porque ambos desalojan el mismo volumen de aire, pero la aceleración derivada de ese empuje es mucho menor en el caso del globo de agua (porque su masa es mayor) y prácticamente despreciable; todo lo contrario que ocurre en el globo de aire. Por lo tanto, a grosso modo (suponiendo aire en calma), cada globo estará sometido a tres fuerzas: la gravedad, el empuje aerostático y la resistencia del aire. En el caso del globo de agua la fuerza dominante es la gravedad y el resto son despreciables*, mientras que en el de aire el empuje y la gravedad tienen el mismo orden de magnitud y, al ser fuerzas opuestas, la aceleración resultante es muy pequeña.

Reitero que "su velocidad depende única y exclusivamente de su aerodinámica, nunca de su peso", aunque puede que no me explicara bien. Ojo, que estoy hablando de PESO, no de masa. La aceleración debida al peso es exactamente la misma para cualquier objeto que cae en la superficie terrestre: 9,81 m/s^2, sea cual sea su masa. Si estamos hablando de objetos sólidos o de densidad apreciablemente mayor a la del aire y podemos despreciar el efecto del principio de Arquímedes, las diferencias en la caída de dos cuerpos serán únicamente atribuibles a las fuerzas aerodinámicas. Y lo que influirá en la aceleración final será la MASA, no el peso (ya hemos quedado en que la aceleración debida al peso es la que es, la famosa g). Si ambos tienen la misma forma y caen a la misma velocidad, la fuerza de resistencia aerodinámica será la misma. Y si la densidad de uno de ellos es menor (y, en consecuencia, también lo es su masa), la aceleración producida por esa fuerza será mayor, así que su caída será más lenta. Me da la sensación de que te refieres a eso, pero como mucha gente, estás confundiendo los conceptos de masa y peso (que es lo que se suele enseñar a medias en el cole).

Por lo tanto, en el caso del tanque y la pelota de ping-pong, en realidad no podemos asegurar a priori que uno caerá más rápido que la otra. Habrá que calcular la resistencia producida por el tanque (que será un montón) y la producida por la pelota (que será bastante menor), dividirlas por sus respectivas masas y ver cuál de las dos aceleraciones es mayor. Y puede que nos sorprendiéramos ;)

No se me había ocurrido que Bond utilizara la estela del avión. En cualquier caso, sigue siendo una fantasmada (pero por eso nos gustan las pelis de Bond! :D )

Espero haber aclarado las cosas y no haberte liado más. Un saludo!




*A no ser que la velocidad de caída sea muy grande y la resistencia aerodinámica, que aumenta con la velocidad, se equilibre con el peso, en cuyo caso caería a velocidad constante; pero vamos, supongamos que no, por simplicidad.

pipistrellum dijo...

Asi me gusta que defiendas tus posturas ;)

Yo lo veo de otra forma.
Hay una serie de fuerzas actuando sobre el objeto. Unas se suman y otras se restan.
Al peso, se restarian el de la flotacion y la resistencia aerodinamica.
Las suma de esas fuerza actuarian sobre la masa del objeto y la acelerarian.

En el caso de un globo o incluso una bala, la resistencia aerodinamica acabaria equilibrandose con la fuerza que produce el peso. Llegaria a la velocidad terminal.
Como tu tambien dices :)


Mientras se llega a la velocidad terminal, la aceleracion se va reduciendo, porque a la fuerza de la gravedad, se le opone otra en contra segun la velocidad es mas alta. Hasta que el resultado es 0 y ya la velocidad es continua.

Un ejemplo. Las gotas de lluvia pequeñas caen mas lento que las gordas y eso que la superfie frontal y por tanto la resistencia son mayores en la gota gorda, pero el peso tambien es mayor, ademas tambien proporcinalmente.

Igual que un buque enorme tarda mucho mas en pararse que una barquita, porque la relacion la inercia/resistencia es muchos mayor en el buque.

He probado ha dejar caer un calendario plano y cronometrarlo. Luego le he puesto una moneda encima. Y he de reconocer que en ambos caso tardaba mas o menos 1,5 segundos.
No se si habria que dejarlo caer desde mas altura. Probare otra vez :)


PD:Si en las pelis de Bond, hay muchas fantasmadas ;)

Lyd dijo...

Es que creo que no me estás entendiendo... La masa sí que influye; el peso no. Lo mires como lo mires, si prefieres hacer un balance de fuerzas, de todas maneras tienes que ajustarte a la 2ª ley de Newton: F = m*a. La aceleración es lo que va a determinar cómo se mueve el objeto. Si dos cuerpos de masas m1 y m2, tal que m1>m2, están sometidos a la misma fuerza F, sus aceleraciones serán distintas: a1=F/m1 < a2=F/m2, y el cuerpo m2 se moverá más rápido. Pero en cuanto al peso: P1=m1*g y P2=m2*g, los pesos son distintos, pero la aceleración, g es la misma, así que se moverán igual.

Ahora, suponiendo que los dos estén sometidos a la misma fuerza de rozamiento con el aire (D), porque tienen la misma forma, y a la gravedad (g), y no haya más fuerzas, tenemos:

Cuerpo 1--> D + m1*g = m1*a1
Cuerpo 2--> D + m2*g = m2*a2

Dividiendo por las masas,

Cuerpo 1--> D/m1 + g = a1
Cuerpo 2--> D/m2 + g = a2

y restando las dos ecuaciones,

D(1/m1-1/m2) = a1-a2

ahora la arreglamos un poco...

D(m2-m1)/m2*m1 = a1-a2 = Δa

Así que la diferencia de aceleraciones, Δa, será 0 (es decir, caerán a la misma velocidad) en dos circunstancias:

1. Si m1 = m2 (algo obvio, por otra parte), y
2. Si D = 0 (que es lo que llevo intentando decirte todo el tiempo)

c.q.d.

Y te lo ilustro con un experimento que los del Apollo 15 hicieron en la Luna, espero que lo disfrutes ;)

Lyd dijo...

Y, otro apunte, como podrás comprobar, en la última ecuación,

D(m2-m1)/m2*m1 = a1-a2 = Δa

La g de la gravedad no aparece por ninguna parte ^^

Lyd dijo...

Me he dado cuenta de que debería aclarar que en este caso D < 0. He tomado como positivo el sentido de la caída, así que, como D se opone a ella, sería D = - Cd*ro*v^2*S/2

pipistrellum dijo...

Si, sin atmosfera la caida es identica con una pluma o un martillo.

No me ha quedado claro si estamos de acuerdo o no :P
Siento que sea mal momento para liarnos asi.

a ver si me aclaro asi :)
¿un tanque (de agua o de combate) que este lleno de agua cae igual de rapido en la atmosfera que uno vacio?

Lyd dijo...

Pues no, claro. Si la resistencia aerodinámica es la misma, la aceleración resultante será mayor sobre el que tenga menos masa. Pero no es por el peso, sino por la masa; y la causante de la diferencia es la resistencia aerodinámica. NUNCA el peso. Eso era lo que quería dejar claro... Aunque parece que no tuve mucho éxito, porque por lo que se ve tú ya lo tenías claro y no me entendiste... :(

Anónimo dijo...

Que precio tiene montado valla listo



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