Aerodinámica Básica: Atmósfera, Fluidos y Principios de Vuelo

Capas de la Atmósfera

• La **Troposfera**: Es la capa más cercana a la superficie terrestre, donde vuela la mayoría de las aeronaves. Se extiende hasta aproximadamente **11 km** de altitud, con su límite superior en la **tropopausa**.
• La **Estratosfera**: Alcanza los **50 km** de altitud. A diferencia de la troposfera, su temperatura **aumenta** con la altitud.
• La **Mesosfera**: Se encuentra después de la estratopausa. En esta capa, la temperatura **disminuye** con la altitud.
• La **Termosfera**: Después de la mesopausa, la temperatura **aumenta** de forma continua con la altitud.
• La **Exosfera**: Es la parte más **externa** de la atmósfera, donde las partículas de gas escapan al espacio.

Capas Importantes Adicionales

• La **Ozonosfera**: Ubicada principalmente dentro de la estratosfera, contiene el **90% del ozono** atmosférico, crucial para absorber la radiación ultravioleta.
• La **Ionosfera**: Se extiende desde la mesosfera hasta la termosfera y se forma por la **ionización** de los átomos del aire debido a la radiación solar.
• La **Magnetosfera**: Es la zona **externa** a la ionosfera, donde el movimiento de las aeronaves y otras partículas está influenciado por el **campo magnético terrestre**.

Ecuación de Estado de los Gases Ideales

La **Ecuación de Estado** para gases ideales se expresa como:

P = R · ρ · T

Donde:

• P: Presión atmosférica
• R: Constante específica del gas
• ρ: Densidad
• T: Temperatura absoluta

La Atmósfera Estándar Internacional (ISA)

La **Atmósfera Estándar Internacional (ISA)** es un modelo de referencia que busca establecer condiciones atmosféricas promedio para diversos fines, tales como:

• **Calibrar altímetros** de aeronaves.
• **Reducir a condiciones comunes** los datos de ensayo obtenidos bajo diferentes condiciones atmosféricas.
• **Calcular las actuaciones** de aviones a distintas altitudes.

Ecuación Fundamental de la Fluidostática

La **Ecuación Fundamental de la Fluidostática** se define como:

dP = -ρ · g · dh

Donde:

• dP: Cambio infinitesimal de presión
• ρ: Densidad del fluido
• g: Aceleración de la gravedad
• dh: Cambio infinitesimal de altura

Hipótesis de la Atmósfera Estándar

Para la definición de la Atmósfera Estándar, se asumen las siguientes **hipótesis**:

• El aire es **seco y limpio** (sin humedad ni polvo).
• Se comporta como un **gas perfecto**.
• **Cumple la ecuación de estado** de los gases ideales.
• La **gravedad** es constante e igual a **9,81 m/s²**.
• A **nivel del mar (MSL)**, se establecen los siguientes valores de referencia:
  • **Presión**: 1013,25 mb (milibares) o 101325 Pa.
  • **Temperatura**: 15 °C (288,15 K).
  • **Densidad**: 1,225 kg/m³.

Segunda Ley de Newton (Impulso y Cantidad de Movimiento)

La **Segunda Ley de Newton** relaciona el impulso con el cambio en la cantidad de movimiento:

Impulso = Cambio en la Cantidad de Movimiento

F · Δt = m · ΔV

Donde:

• F: Fuerza aplicada
• Δt: Intervalo de tiempo
• m: Masa del objeto
• ΔV: Cambio en la velocidad

Principio de Bernoulli

El **Principio de Bernoulli** es aplicable a **flujos ideales** donde no hay aportación ni disipación de energía (es decir, flujos incompresibles, no viscosos y estacionarios).

Conceptos Relacionados con Bernoulli

• **Presión Dinámica (q)**: Representa la energía cinética del flujo por unidad de volumen.

q = ½ · ρ · V²

**Presión Total (Pt)**: Es la suma de la presión estática y la presión dinámica.

Pt = Ps (estática) + q (dinámica)

Número de Mach

El **Número de Mach (M)** es una magnitud adimensional que relaciona la velocidad de un objeto con la velocidad del sonido en el medio en el que se mueve.

M = V / C

Donde:

• V: Velocidad verdadera del avión
• C: Velocidad del sonido en el medio

Dado que la **velocidad del sonido (C) disminuye con la temperatura del aire** y, por lo tanto, con el aumento de altitud, se puede alcanzar el mismo número de Mach a menores velocidades respecto al aire al volar a mayor altitud.

Número de Reynolds

El **Número de Reynolds (Re)** es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el tipo de flujo (laminar o turbulento).

Re = (ρ · V · L) / μ = (V · L) / ν

Donde:

• ρ: Densidad del fluido
• V: Velocidad característica del flujo
• L: Longitud característica (ej. **cuerda** de un perfil alar)
• μ: Viscosidad dinámica
• ν: Viscosidad cinemática (ν = μ/ρ)

Este número nos indica el comportamiento de la **capa límite**:

• Cuando **Re < 1**, las capas son **laminadas**.
• Cuando **Re > 1**, las capas son **turbulentas**.

Torbellino (Vórtice)

Un **torbellino** (o vórtice) es una masa de fluido que gira alrededor de un eje, de tal forma que la **velocidad lineal (Vr)** de cada partícula de fluido es inversamente proporcional a su **distancia (r)** al centro del eje.

Esto se expresa matemáticamente como: Vr · r = K (constante).

Propiedades de los Torbellinos

• **Conservan su intensidad**.
• Deben **cerrarse sobre sí mismos** (formando bucles) o **terminar en las superficies libres** del fluido.
• Pueden **prolongarse hasta el infinito**.
• Son **eternos**: no pueden ser engendrados ni destruidos (en un fluido ideal).

Ecuación de la Continuidad (Ley de Conservación de la Masa)

La **Ecuación de la Continuidad** es una expresión de la **Ley de Conservación de la Masa** para un flujo de fluido.

Caudal Volumétrico (Gv)

El **caudal volumétrico (Gv)** representa el volumen de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo.

Gv = Volumen / Tiempo = (Área · Longitud) / Tiempo = A · v

Donde:

• A: Área de la sección transversal
• v: Velocidad del fluido

Caudal Másico (Gm)

El **caudal másico (Gm)** es la masa de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo.

Gm = Gv · ρ = ρ · A · v

Donde:

• ρ: Densidad del fluido