Física de vuelo y aeroplanos de la Primera Guerra Mundial

Operaciones aéreas.

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Física de vuelo y aeroplanos de la Primera Guerra Mundial

Notapor Rittmeister von Junzt el Sab 14 Jul 2007 12:41

Hola, llevo años investigando sobre los aviones de la Primera Guerra Mundial y ya es hora de que aprenda algo sobre física de vuelo... así que espero me puedan explicar algunos conceptos para tener cierta idea.

Cómo los aviones de la IGM son esencialmente planeadores con motor, y la aerodinámica no estaba muy desarrollada, hay más variaciones en tipos de ala y aerodinámica que en la IIGM y en otras cosas. En la IIGM lo que cuenta es que el que tenga el motor más potente gana... y en la Primera las cosas son más complicadas, y la capacidad de giro es mucho más importante que según el moderno concepto de "energy fighting" o "boom and zoom"

Aquí expongo algunos conceptos que he ido pillando, ruego me corrijan si digo alguna burrada.

ALAS


Wing loading

Carga alar: Se divide el peso que debe levantar entre el área del ala

Kilos / metro cuadrado

Como dijo RAM en el hilo sobre FW190D vs YAK

El caso es que al contrario de lo que se cree, la carga alar ,por si misma, dice poco ,muy poco, de un avion. No sirve ni para saber como gira ni para saber como trepa. La carga alar es tan solo uno de los parametros más que influyen en el Liftloading, y el Liftloading es una indicacion mas o menos clara de como va a girar un avion.


Pero en general, podemos decir que una elevada carga alar es mala porque el avión tiene que volar más rápido para generar suficiente sustentación.

Simplificando mucho: carga alar elevada = velocidad de pérdida (stall) más elevada, lo que limita los giros a baja velocidad.

De otros hilos que he leído en este foro hay gente que dice que una elevada carga alar es buena porque permite picar mejor y más rápido.

En mi humilde opinión:

Peso = malo dpp: , el peso no es una característica deseable a menos que tengas potencia de sobra. Como los aviones de la IGM tenían muy poca potencia, y por ahorrar peso no tenían ni frenos, todo debate sobre los aviones de la Gran Guerra debe tener en cuenta que el peso es anatema.

Precisando, lo importante es la relación potencia-peso, por usar un término más fácil de comprender que la power-loading.

A mejor potencia-peso, mayor velocidad, aceleración, y quizás trepada... pero esto hay que cojerlo con pinzas, porque en la IGM la trepada va a depender de muchos más factores que la potencia motor.

Y sobre que mayor carga alar = pica mejor, que he leído en numerosas discusiones, humildemente creo que no es del todo correcto. En física teórica, la aceleración de la gravedad es la misma para todos. En aerodinámica, la otra respuesta simplista es que pica mejor el de menor resistencia.

Ni uno ni otro, la respuesta es que el aire es un fluido, y para abrirse paso a través de este, lo que importa es que el areoplano sea denso. Una carga alar elevada puede ser indicador de mayor densidad pero no siempre.

Esto de la densidad es por lo que muchas veces un biplaza podía escapar en picado prolongado de un caza más ligero y aerodinámico. En la IIGM he leído de Junkers que escapaban de Spitfire en picados

Lift Loading:

Sustentación?

La sustentación depende de la superficie alar (cuanto más grande o más alas mejor), y de la forma del perfil del ala, la curvatura (camber) aumenta la sustentación. Al menos es lo que se creía en la época y las alas tienen bastante camber.


Aspect ratio: el aspecto es la relación de dividir la envergadura (span) por la anchura del ala (cuerda). Curiosamente las alas estrechas y alargadas como un rectángulo, aunque con menos superficie que un ala más "cuadrada" son más eficaces en proporcionar sustentación, por jemplo, las de un planeador. El problema de hacer un ala estrecha y alargada son las limitaciones estructurales de construir un larguero o viga (spar) que sea resistente a la flexión., sobre todo si construyes con madera, y el aeroplano tiene que resistir las violentas maniobras del combate. ¡Por eso no se ven cazas como planeadores!

El beneficio de un ala de alto aspecto es que se puede conseguir una sustentación equivalente con un ala más pequeña, lo que ahorra peso, lo que a su vez puede redundar en una menor carga alar y por ende en un radio de giro menor (simplificando mucho). A su vez menor peso, mejor relación potencia /peso, y menor superficie, menor fricción, por lo que la suma de ambos factores debería dar mayor velocidad.

Un ejemplo de estas alas estrechas son las inferiores de los sesquiplanos Nieuport, copiadas por los alemanes en el Albatros.



Otra consideración sobre perfiles alares. Unos, como el SPAD, experimentaron con alas muy finas que daban poca sustentación, pero al disminuir la resistencia al avance, aumentaban la velocidad.

Al final de la Guerra Junkers desarrolló el ala gruesa, copiada por Fokker en su DVII, ésta ofrece más resistencia al avance, pero retrasa la entrada en pérdida por lo que el aeroplano que la tiene puede adoptar ángulos de ataque más elevados ... del Fokker DVII se decía que se podía quedar "colgado de la hélice" y cerrar más el ángulo de giro. No sé si es más eficiente en sustentación también.

El resultado es que el DVII era más maniobrero en un combate de giros que sus contrapartidas aliadas, pero también da la paradoja, que equipados con el mismo motor Mercedes de 160 HP, el Pfalz DXII , con todo su lío de montantes y alambres(ala copiada del SPAD) creando resistencia, fuese a pesar de todo más rápìdo que el limpio DVII sin alambres tensores y menos montantes, la razón es la diferencia de alas, finas en el DXII, gruesas en el DVII.

Además, para complicar aún más las cosas, los aviones de la IGM son en su mayoría biplanos para tener mayor superficie alar, y mayor sustentación. Lo malo de poner un ala encima de otra es que se produce un fenómeno llamado interferencia en la que el ala de arriba le quita sustentación a la de abajo, por lo que el rendimiento no es óptimo. Hubo algún avión que resultó un fracaso, como el Roland DII, porque al poner las alas muy juntas, la sustentación era mediocre y todas las prestaciones se resentían.

Por contra, cuanto más separes las alas, más largos tendrán que ser los montantes interplanares y los alambres tensores, más peso, más resistencia, y si encima tienen que ir en diagonal porque quieres decalaje (stagger) o escalonamiento, es decir, un ala más avanzada (la superior en el 90% de los casos) pues más tienes que alargar los montantes.

Creo que el escalonamiento se hace para tener mejor visibilidad, disminuir la interferencia entre planos (no estoy seguro) o mejorar la trepada.

Ya veis que el diseño en aquellos tiempos estaba plagado de círculos viciosos.


Bueno, ahora me gustaría saber ¿qué demonios es la

span loading?

Se calcula dividiendo el peso entre la envergadura. Nunca había oído antes esto, y creo que es un parámetro para medir cuanto peso tienen las alas alejado del eje longitudinal de giro del avión.

Creo que esto es importante para el alabeo. Un bombardero cuatrimotor, por ejemplo, tiene mucho peso en las alas por el combustible y los motores, por lo que será lento en el alabeo porque tiene que vencer mucho momento de inercio.

Por contra, un caza con alas cortas (FW 190) o mucho peso en el fuselaje (Thunderbolt) serán rápidos en el alabeo.

Aplicado esto a los aviones de la IGM, atendiendo exclusivamente al momento de inercia de rotación de una barra en torno a un eje, un Nieuport o Albatros, con un sólo larguero y un montante en V deberían alabear mejor que un SPAD con esas dos alas de igual envergadura y cuerda y tanto montante...

Pero por contra, parece ser que las masas no son muy relevantes en un aeroplanos de madera y tela debido a su construcción ligera, y que lo que realmente hace que un aeroplano alabee son los alerones.

Tengo entendido que un alerón funciona exponiendo su superficie contra la corriente de aire, lo que hace que el viento ejerza una presión contra esa superficie, por lo que el efecto sería máximo si el alerón estuviese perpendicular al ala.
Si observo un alerón de un avión moderno, la superficie de control es pequeña.. van tan rápidos que la fuerza del viento es muy grande y sólo hace falta una superficie pequeña para conseguir el efecto deseado.

Pero observando que los aeroplanos primitivos, como el Fokker monoplano, no tenían ni alerones y funcionaban por alambres que retorcían el ala, como un pájaro, y que al volar en una Cessna a velocidades similares a las de entonces los alerones apenas se desplazan, parece que la respuesta es más compleja y que el alabeo se produce por la variación del vector de sustentación del ala debido al cambio de geometría del ala por el desplazamiento del alerón, y no tanto a la fuerza bruta de la presión del aire. ¿Podría alguno de ustedes explicarme este punto?

Por otra parte, parece que los diseñadores de entonces ponían los alerones en las puntas de las alas para aprovechar el efecto palanca al máximo. Incluso hay algún proyecto con puntas de alas pivotantes (!)

Y para aumentar el alabeo, ponían otro par de alerones en el ala inferior, caso del Sopwith Camel. O hacían alerones muy grandes y que se extendían más allá del ala (overhung) p.ej, el DVII


De todas formas, parece que la principal aplicación del concepto de alto aspecto (alas estrechas y alargadas) es en la efectividad de los alerones. Es por eso por lo que los alerones del Fokker DrI , a pesar de ser sólo dos, son más eficientes que los del Sopwith Triplano, que tiene seis!!
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Notapor Satur el Sab 14 Jul 2007 16:16

Hola von Junzt, la carga alar baja es mejor para los aparatos de caza que operan a gran altura, mientras que la carga alar alta se usa en los aparatos de ataque que deben volar muy próximos al suelo y llevar alas muy cortas.

En cuanto al escalonamiento de las alas, no creo que fuese por factores aerodinámicos, porque entonces deberían haberse escalonado al revés, con las alas inferiores por delante de las superiores.
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la gente dice que todo ocurrió de un modo natural.
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Alas y altitud

Notapor Rittmeister von Junzt el Sab 14 Jul 2007 18:31

Satur escribió:Hola von Junzt, la carga alar baja es mejor para los aparatos de caza que operan a gran altura


Y dale con la carga alar... esa es una consecuencia, no un parámetro de diseño en sí!

Pero gracias por señalarlo. Cuanto más se sube, peor es el rendimiento. El aire es más tenue, con lo que la combustión es peor y se pierde potencia. La hélice también pierde eficiencia creo, ¿o no? mmm

Al ser el aire más tenue se reduce la resistencia al avance... pero esto no es suficiente para compensar la pérdida de potencia, al menos para los aviones de hélice, a los reactores sí les compensa.

No me quiero meter en líos de motores porque por ahora estamos hablando de alas, pero la principal causa de la pérdida del rendimiento del motor es que hay menos aire para refrigerar el motor, por conducción y convección por lo que los motores refrigerados por aire sufren mayor pérdida de potencia que los de líquido. Esto se compensa en teoría un poco porque hace más frío a gran altura ¿alguien recuerda la fórmula del descenso de la temperatura según la altitud ? Pero la diferencia de temperaturas no es ni de lejos tan importante como la densidad del aire.


La consecuencia es que al aeroplano va más despacio. Un aparato con baja carga alar , es decir alas con mucha sustentación, debería a igualdad de condiciones de potencia motor tener un techo más alto que uno con mayor carga alar...

Al ir más despacio, hay menos margen de seguridad de velocidad que se pueda perder antes de entrar en pérdida, por lo que la maniobrabilidad se ve restringida. Giros bruscos que quitan un montón de velocidad (airspeed) que son posibles a bajas cotas, ya no se pueden hacer a alta cota.

Y ahora para más inri, debido a la dinámica de fluidos, al ser el aire más tenue se pierde sustentación (creo recordar, no estoy seguro)... a igual velocidad, el ala no produce la misma sustentación a 1.000 metros que a 5.000, esto hace que la entrada en pérdida se produzca a una velocidad mayor... con lo que en un aeroplano de la IGM cerca de su techo hay muy poco margen. Cuesta mucho subir hasta ahí, y es muy difícil mantenerse, por lo que la pérdida de altura en un combate será inevitable. Y de hecho, dado el poco margen entre la velocidad de pérdida y la velocidad máxima del aparato y las pérdidas brutales de velocidad en cuanto se aumenta el ángulo de ataque o el de alabeo , era inevitable que todos los combates acabaran en espirales descendentes, ya que los contendientes ceñían el ángulo de giro cada vez más buscando describir un giro más cerrado que el rival y ponerse a su cola.

Volviendo a las alas. Un aeroplano que tenga alas grandes con gran sustentación y baja carga alar está más indicado para vuelos a alta cota. Un ejemplo serían los aviones alemanes de reconocimiento de alta cota del último año de guerra, que volaban tan altos que no podían ser interceptados por los cazas aliados. O muchos biplazas en general, que cuando un caza se afanaba por llegar a su altura, les bastaba con picar y escapar en un picado sostenido.

mientras que la carga alar alta se usa en los aparatos de ataque que deben volar muy próximos al suelo y llevar alas muy cortas.


Bueno, otra vez la carga alar. A baja cota, como el aire es más denso, puede ser interesante recortar las alas para disminuir la resistencia y aumentar la velocidad, pero eso si estás hablando de un Spitfire de la IIGM

Este no es el caso en la Gran Guerra, porque los "cajones de huevos" de entonces tenían todos una resistencia aerodinámica monstruosa debido a la fórmula biplana, el revestimiento de tela, y los alambres tensores, los refinamientos tienen poco efecto. Una ojiva en la hélice, o un morro redondeado te harán ganar como 5 km/h de velocidad. Porque además, por debajo de 200 km/h que es la velocidad máxima que alcanzaban los aviones más rápidos, la resistencia aerodinámica no cuentan tanto.

Por eso el SE5a, que es un tractor con alas corre más que los muchos más refinados y elegantes cazas alemanes como el Albatros. De todas formas el SE5 es un triunfo de la fuerza bruta sobre la finura, es un poco como el Thunderbolt de la IIGM

Una carga alar alta sería negativa en un aeroplano de la IGM de ataque al suelo. Como tienen poca potencia, y les cuesta mucho ganar altura, no se pueden permitir pérdidas de altitud en giros a baja cota. Los aviones de ataque al suelo eran llamados "contour flyers" por los británicos, porque volaban pegados al suelo aprovechando los contornos del terreno, colinas, casas, árboles para ocultarse al fuego de tierra, y tenían que volar haciendo maniobras evasivas y bruscos giros para evitar ese fuego. Como son lentos, no pueden pasar zumbando a 500 km /h como en la IIGM , por tanto el zigzagueo es fundamental para sobrevivir, y para eso se necesitaban aeroplanos capaces de girar cerradamente y no perder altura, por tanto de baja carga alar. Los aviones de ataque al suelo diseñados por los alemanes por esta razón y otras fueron biplazas.



En cuanto al escalonamiento de las alas, no creo que fuese por factores aerodinámicos, porque entonces deberían haberse escalonado al revés, con las alas inferiores por delante de las superiores.


No recuerdo ahora la razón del escalonamiento de las alas. Creo que igual son consideraciones de centro de gravedad y de ángulo de ataque. Y debe haber muy buenas razones para el escalonamiento positivo, porque sólo se dieron tres casos de escalonamiento hacia atrás: el Airco DH5, que fue un fracaso como caza, el Dorand AR 1 que era un biplaza y que fue por razones de visibilidad, y el Sopwith Dolphin que salió bastante bueno.

En su mayoría se construyeron sin escalonamiento o hacia adelante. ¿Por qué sería?


Ahora una pregunta para los Experten de este foro ¿Qué es el diedro de las alas? ¿Para que sirve?

Creo entender que el diedro es si las alas en vez de ser totalmente rectas cuando se ven de frente, forman un ángulo con el fuselaje, y es un diedro positivo por que la punta del ala siempre acaba más alta que la raíz y este siempre es el caso (aunque un Phantom o algún otro reactor moderno tenga alas de diedro negativo)

El SE5a tiene ligero diedro en las dos alas, el Sopwith Camel sólo en la inferior (el ala de arriba no lo tiene y es plana por razones de facilidad de fabricación), el SPAD no tiene, la mayoría de los aviones alemanes carecen de él (curioso ¿no?) y por último, el ágil Hanriot HD1 tiene un diedro muy pronunciado en el ala superior pero la inferior es plana.
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Notapor Quinto_Sertorio el Sab 14 Jul 2007 19:39

El diedro de las alas es para colocar el centro aerodinámico (el centro de fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el aeroplano) por encima, o próximo a, o cerca de... el centro de gravedad o centro de masas del aparato.

De ese modo se hace el aparato más estable, por la misma razón que los coches deportivos se hacen bajitos, para que sean más estables.

Eso es especialmente cierto en el caso de bombarderos y aparatos de transporte, y menos cierto en el caso de los cazas, que no interesa que sean demasiado estables, pues eso lo haría menos ágiles.

Saludos
¡¡A España, servir hasta morir!!

Los hombres se cansan antes de dormir, de amar, de cantar y de bailar que de hacer la guerra -- Homero.

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Notapor Rittmeister von Junzt el Sab 14 Jul 2007 21:27

Sí, lo de la estabilidad ya lo sabía, pero ¿cómo funciona? ¿Es que acaso el vector de sustentación es perpendicular a la superficie del ala?

He estado repasando los perfiles, y lo curioso es que parece que el diedro es algo típico de los británicos. Casi todos los aviones tienen diedro. Curioso.

Volviendo al diedro. En cuanto alabeas, pierdes sustentación, por lo tanto, unas alas con diedro, generarán menos sustentación que una recta. En cuanto alabeas para hacer un viraje, cierto es que el ala del interior del giro generará más sustentación, porque tienes que restarle los grados del diedro a la inclinación, pero como el ala opuesta los suma, en paz.

Por lo tanto ningún efecto en un giro, pero en vuelo horizontal, al estar las alas dobladas... ¿no se pierde algo de sustentación en comparación con un ala recta?
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