Resumen

La teoría de la aerodinámica nos dice que la base del vuelo de un avión está en la velocidad con que se mueve, su diseño de poca resistencia al aire (aerodinámica) y la forma de sus alas (en sentido estricto es parte de su diseño aerodinámico, pero para fines experimentales en bueno separar ambos términos) que hacen posible se eleve del suelo y mantenga su vuelo controladamente.

La investigación consiste en visitar lugares donde existan aviones y así observar su diseño y la forma de sus alas y alerones.

Para ver los efectos de la aerodinámica a pequeña escala probamos volar un papalote. Y así observar si las leyes de la física solo aplican para aviones.

También elaboramos avioncitos de papel y los lanzamos para observar como se comportaban

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La idea de volar nos plantea la más grande pregunta,   ¿Cómo levantar del suelo algo más pesado que el aire, mantenerlo flotando y además de eso desplazarlo a través del propio aire?

Antecedentes

Las leyes de la física fueron demostrando que si era posible lograr levantar un cuerpo pesado en el aire y no solo eso, desplazarlo a través del propio aire.

Algunos hombres como Leonardo Da Vinci, Newton, Bernoulli, Pascal contribuyeron en los principios de la aviación. La Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en dentro del propio gas. A la importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el valor de su aportación a la aeronáutica. De acuerdo con el número de Mach o velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide en subsónica y supersónica según que dicho número sea inferior o superior a la unidad.

Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a cualquier objeto moviéndose a través del aire, que explican el vuelo de objetos más pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a través del aire, como que este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve (de esta ultima forma se prueban en los túneles de viento prototipos de aviones). Por ejemplo un papalote o cometa, no viaja a través del aire pero si usa los principios de la Aerodinámica para mantenerse sostenido en él.

Existen dos teorías acerca de la creación de la sustentación: la de Bernoulli y la de Newton. Aunque ninguna de las dos se considera perfecta, ayudan a comprender un fenómeno que para explicarlo de otra forma requeriría de una demostración matemática compleja.

La teoría de Bernoulli dice que al chocar el aire con el ala, el aire se separa y debido a la forma de las alas el aire que pasa por abajo es mas denso y el de arriba mas ligero lo que origina el sustento del avión es decir que flote.

La teoría de sustentación de Newton usamos la 3ª Ley del movimiento de Newton. Que dice que “Para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual en intensidad pero de sentido contrario” en este caso la fuerza de acción es el aire como le sucede a los cometas o papalotes, se forma un plano inclinado que en el caso se los aviones se forma por las alas.

El teorema de Bernoulli es la explicación más comúnmente aceptada de cómo se crea la sustentación para que el avión se mantenga en el aire. Sin embargo esa teoría no es completamente cierta, pues si así fuera ningún avión pudiera volar de cabeza como lo hacen los cazas militares y los aviones de acrobacia aérea, ya que al volar de forma invertida no se crearía la fuerza de sustentación necesaria para mantenerlo en el aire al variar la forma de las alas.

Es importante que el piloto obtenga el mejor conocimiento posible de estas leyes físicas y principios para entender, analizar y predecir el rendimiento de un aeroplano en cualesquiera condiciones de operación.

Durante todo el siglo XVIII se empezó a investigar y a aplicar las leyes de la física asociadas a la Aerodinámica con planeadores (aviones in motor) pero no fue hasta principios del XX, concretamente en 1903, cuando los hermanos Wright se hicieron famosos por realizar el primer vuelo en un avión controlado.

En la época de la Primera Guerra Mundial, los aviones fueron una pieza clave y avanzaron a marchas forzadas. Las avionetas, en su mayoría provistas por una sólo hélice en su parte frontal, pasaron a tener capacidad para dos personas y los motores aumentaron su potencia, doblando la velocidad punta.

Entre 1918 y 1939 tuvo lugar la época de oro de la aviación, fue el período de entreguerras y surgieron las primeras compañías aéreas.

Así el primer vuelo comercial tuvo lugar en 1914, operó la ruta San Petersburgo – Tampa (Florida). Empezaron a fundarse aerolíneas por Europa y Estados Unidos y el material que predominaba, la madera, fue sustituido por el metal. En este período se reciclaban aviones militares para su uso comercial y también se usaban dirigibles con fines comerciales, hasta que en 1937 se produjo el terrible accidente del dirigible Hindenburg en Nueva Jersey, y se dejaron de utilizar este tipo de aparatos que eran mucho mas grandes que los aviones de esa época pero mas lentos y por el combustible que usaban mucho mas peligrosos.

Paralelamente estaba trabajando en la idea del helicóptero; Juan de la Cierva intentaba crear un híbrido -el autogiro-, con un motor normal y otro rotativo, que hizo volar, pero cuando De la Cierva murió el proyecto quedó paralizado, sus investigaciones dieron lugar a los primeros helicópteros.

El año clave fue el 1930, se realizaron mejoras para que los aviones volaran más alto y más rápido, mejoró la aerodinámica, las cabinas de pasajeros, las radiocomunicaciones y se comenzó a utilizar el piloto automático. El avión más usado comercialmente fue el Douglas DC-3, a grandes alturas la resistencia creada por el aire es menor así volaba mas rápido y empleaba menos combustible.

A finales de los años 40 los especialistas trabajaban en el motor a reacción y en la cabina presurizada, ya que la altura a la que volaban los aviones era cada vez mayor y los ocupantes del avión tenían dificultades para respirar debido a la densidad del oxígeno.

Durante la Segunda Guerra Mundial, entre 1939 y 1945 se incidió en el uso y desarrollo de los bombarderos.

Fue después de este período cuando la aviación comercial se separó de la militar, lo que permitió crear el primer avión a reacción para transportar pasajeros, el Havilland Comet, que tuvo mucho éxito y las compañías se apresuraron a hacer pedidos, pero 3 accidentes hicieron que su producción se viniera abajo hasta que acabara cesando.

A partir de aquí ya viene lo que conocemos hoy en día como la aviación civil de pasajeros, cuando la estadounidense Boeing creó el 707 convirtiéndose en el primer reactor cien por ciento fiable y exitoso. Otras compañías como Convair y Douglas también lanzaron sus modelos aunque su éxito fue más modesto. Boeing siguió creando modelos derivados del 707 y se convirtió en la productora más importante. Aunque ya asomaba Airbus, que estaba predestinada a ser su homóloga europeo.

Llegados a este punto se lanzaron los aviones de fuselaje ancho, los aviones supersónicos como el Concorde y los de largo alcance.

Hoy en día la seguridad en aviones es altísima y la tecnología está permitiendo cosas como el Airbus A380 y el Boing 787 Dreamliner que son imponentemente grandes y modernos.

Aunque nunca hayas volado en un avión, es probable que estos rápidos adelantos tecnológicos hayan influido en tu vida. El servicio de carga aérea funciona en todo el globo terráqueo. A menudo, los alimentos que consumimos, la ropa que nos ponemos y las máquinas que empleamos en el trabajo o en el hogar, llegan por avión desde el otro lado del océano o del continente. Las cartas y los paquetes van rápidamente de un país a otro por vía aérea. El comercio depende en gran medida de los servicios de mensajería aérea para sus transacciones cotidianas. Los bienes y servicios de que disponemos y los precios que por ellos pagamos, han sido influidos en su totalidad por la capacidad de los seres humanos para volar.

La aviación también ha generado profundos cambios sociales. Gracias a ella, el mundo se ha hecho más pequeño. En pocas horas podemos estar en casi cualquier parte de la Tierra, si tenemos los medios. Las noticias viajan rápidamente, y también la gente.

Aunque el hombre ha tenido que pagar un precio del progreso. Algunos temen que el aumento del tráfico aéreo torne más peligrosos los cielos. “Presionadas por la competitividad, algunas  aerolíneas renuncian a los márgenes extras de seguridad que mantenían rutinariamente cuando podían cargar los costos adicionales a los clientes”, afirma la revista Fortune. La Agencia de la Aviación Federal, encargada de la seguridad aérea en Estados Unidos, “carece de fondos y personal suficientes y adolece de mala administración”, informó la citada revista.

Al mismo tiempo, un creciente número de ambientalistas están alarmados por el aumento de la contaminación atmosférica y acústica como resultado del intenso tráfico aéreo. La solución de los problemas acústicos figura “entre las cuestiones más divisivas de la aviación civil en el mundo”, dijo la revista Aviation Week & Space Technology

Objetivo

Conocer las causas que originan que un objeto pueda volar controladamente.

Justificación

La forma más rápida y segura para viajar grandes distancias es por medio de aviones.

Aunque parezca mentira, el avión es el medio de transporte más seguro pues la relación entre accidentes y vuelos diarios es muy pequeña, existen diariamente 45,000 comerciales en todo el mundo.

Es decir que en cada minuto se realizan 31 vuelos.

Aproximadamente uno de 1.4 millones sufrirá un accidente lo que estadísticamente lo hace el medio de transporte mas seguro que existe en la actualidad.

La importancia de la aviación no solo es por viajar más rápido, también la usamos para rescate, enviar alimentos, transportar carga, fumigaciones agrícolas, etc.

Por otra parte el simple hecho de volar es interesante, los fenómenos físicos que se presentan durante el despegue, el vuelo y el aterrizaje hacen muy emocionante conocerlos.

En resumen conocer el porque es posible que un objeto tan pesado como un avión vuele es además de necesario para la vida actual es didáctico pues usualmente las matemáticas son abstractas y en este caso se convierten en tangibles.

Hipótesis

La idea de que la sustentación en el aire por parte de los aviones se debe únicamente a la forma de sus alas es insuficiente y hasta cierto punto erróneo, sino ¿como podría un avión volar en forma inversa?

Luego entonces la explicación anterior es incompleta.

Método (materiales y procedimiento)

La teoría de la aerodinámica nos dice que la base del vuelo de un avión está en la velocidad con que se mueve, su diseño de poca resistencia al aire (aerodinámica) y la forma de sus alas (en sentido estricto es parte de su diseño aerodinámico, pero para fines experimentales en bueno separar ambos términos) que hacen posible se eleve del suelo y mantenga su vuelo controladamente.

La investigación consiste en visitar lugares donde existan aviones y así observar su diseño y la forma de sus alas y alerones.

Para ver los efectos de la aerodinámica a pequeña escala probamos volar un papalote. Y así observar si las leyes de la física solo aplican para aviones.

También elaboramos avioncitos de papel y los lanzamos para observar como se comportaban.

Galería Método

Resultados

Los resultados de una investigación con esta mas que nada se refieren a estimular la curiosidad de los pequeños, los hace tener mas dudas y por lo tanto mas preguntas.

La búsqueda de videos con experimentos sencillos referentes a la aerodinámica y a sus principios físicos se hace mas común y en el camino de resolver alguna duda surgen mas lo que les estimula mucho.

El valor de un trabajo como esto radica no en conocer la ley de la Física que nos describe la sustentación, sino mas bien que en le camino para resolver una pequeña pregunta se presentan otras preguntas que hacen lo vuelven mas interesante.

El papalote volaba solo cuando la velocidad del viento era lo suficientemente grande, de lo contrario caía a tierra.

Los avioncitos de papel son muy inestables y su vuelo es corto.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Tras la visita al Museo Plaza estado de México se pudo constatar que el diseño aerodinámico junto con la velocidad (empuje) de los aviones los hace capaz de generar una fuerza de sustentación tal que es capaz de elevar por los aires aparatados de cientos de toneladas.

Al volar el papalote observamos el cumplimiento de los principios de sustentación en el aire, esto demostró que las leyes de la física se cumplen tanto para objetos pequeños como para objetos muy grandes

En caso de los avioncitos de papel encontramos la enorme importancia de un diseño aerodinámico preciso de lo contrario es poco probable un vuelo seguro y medianamente largo

Bibliografía

Anderson David (2008). Físico del Fermi National Accelerator Laboratory USA  ¿POR QUE VUELAN LOS AVIONES?

http://museodelaciencia.blogspot.mx/search/label/Aeronáutica

http://aeromodelr.wikidot.com/aviacion-historia

http://skytechnologies.net/whyfly/index.html 3

http://howaircraftfly.atspace.org

Museo Plaza Estado de México (Tultitlán, Estado de México)

http://www.asifunciona.com/aviacion/af_avion/af_avion6.htm

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography