curso de Aerodinámica con un poco de esfuerzo

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Sir George Cayley, sexto Baronet de yo qué sé

esto de internet es la reberza, aquí está el tipo

https://en.wikipedia.org/wiki/George_Cayley

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un canadiense construyéndose su avión

en el foro de los constructores caseros de aviones

http://www.homebuiltairplanes.com/forums/forum.php

subforo proyectos

http://www.homebuiltairplanes.com/fo...-project-logs/

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la aero-dinámica, la hidro-dinámica y la aceitedeoliva-dinámica comparten unos mismos principios, pero diferentes densidades y viscosidades

de hecho para un bichito pequeñajo, para un insecto pequeño, el aire es como miel líquida, y por eso son capaces de cosas prodigiosas, para nosotros en cambio a nuestra escala el aire es tenue

el aire tiene una densidad de alrededor de 1,2 kilos el metro cúbico, aunque depende de si el aire está frío o caliente, por eso suelo hacer la broma de si calcular un velero con aire alemán o con aire español

https://es.wikipedia.org/wiki/Aire

el agua por su parte tiene una densidad de 1000 kilos el metro cúbico si es agua dulce, y de alrededor de unos 1025 kilos el metro cúbico si es agua salada

por ejemplo

con un coeficiente de Sustentación/FuerzaLateral (CL) de 0,8 y 1 metro cuadrado de tablero de madera, vela, ala o timón, y una velocidad de 2,5 metros por segundo (5 nudos)

en el Aire

0,8 (Coeficiente) x presión dinámica (la mitad de la velocidad del fluido al cuadrado por la densidad del fluido: 0,5 x 2,5 x 2,5 x 1,2) x 1 metro cuadrado = 3 Newtons de fuerza, que son unos 300 gramos (300 gramos de masa x 9,8 de gravedad = la tierra atrae 0,3 kilos con una fuerza de 3 Newtons)

en el Agua

0,8 (Coeficiente) x presión dinámica (la mitad de la velocidad del fluido al cuadrado por la densidad del fluido: 0,5 x 2,5 x 2,5 x 1025) 1 metro cuadrado = 2562 Newtons

por eso las alas de nuestras aero-naves son grandotas arriba y más pequeñajas abajo

en la primera fotografía, espectacular fotografía, se puede ver el primer planeador de los hermanos Wright con timón

en el dibujito de abajo el ingeniero de la Northrop que lo ha dibujado indica que el ala grandota le desvía el aire a la alita pequeña de popa en una cantidad más o menos igual a la mitad (0.5) del ángulo de ataque, es el downwash (y al revés le aumenta el ángulo de ataque, upwash, a la alita de proa, y un poco menos al morro de max michael munk)

en el departamento de hidromecánica del Tecnológico de Delft después de llevar 40 años arrastrando mogollón de maquetas de veleros ... han parido unas fórmulas para la interacción orza-timón ... que a fin de cuentas viene a ser que la orza le quita la mitad de su ángulo de ataque al timón, si la orza está trabajando con un ángulo de ataque de 6 grados entonces el agua le llega al timón a 3 grados

esto me recuerda al ingeniero jefe del proyecto A4



del perfil del ala se encargaba un ingeniero joven, que se encerró en el túnel de viento, y el tío no salía ... y resulta que se eternizaba optimizando una maqueta/modelo ... allí trasegando números, cálculos y datos del túnel de viento, y afinando y afinando y lijando y lijando la cosa

y llegó el ingeniero jefe con lo que a fin de cuentas era un tablero de madera de contrachapado, limado, y en el túnel de viento le sacaron los datos

y la ristra de datos que salió del tablero de madera lijado venían a ser los mismos datos que el ingeniero joven seguía afinando y afinando

(la cosa tiene truco, porque es una ala delta, pero ésa es precisamente la cosa: saber qué exige el problema, si la cosa va de céntimos o millones, de gramos o de toneladas)

ayer en una regata de chavales vi unos perfiles, perfiles que parecen muy buenos en los datos del túnel de viento porque están pulidos y pulidos y pulidos, pero en la realidad las cosas son más rugosas y además en el agua debajo de un velero hay un montón de turbulencia y tanta floritura al final se queda en ná, de hecho están volviendo perfiles digamos 'anticuados'

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Veamos

Veamos a un chaval de 9 años equilibrando un velero de madera, papel y pegamento imedio

en castellano la palabra velero designa un planeador y un barco con velas

Prototipo-1

el chaval equilibra el velero a base de una serie de vuelos de prueba, observando el comportamiento, pero para empezar cada vuelo es una angustia y para terminar el velero es un montón de remiendos y trozos

Prototipo-2

mejor asesorado el chaval construye un nuevo prototipo con una caja de madera en la proa que se cierra con un tapón (en el dibujo está dibujado como un esquema y aparece una caja de proa cuadrada; pero en la realidad va limada y lijada como el tarugo de madera del ingeniero jefe del proyecto A4)



en esa cajita va poniendo balines, perdigones, plomillos, de una escopeta de aire comprimido, una escopeta de plomillos

y con dos dedos debajo de las alas haciendo balancín va comprobando la posición longitudinal del centro de gravedad

realizada la última comprobación, lanza el velero

Woooooooooooooow

y ahora sí, ahora ya viendo el comportamiento se puede afinar la cosa a gusto quitando o poniendo plomo



Arqueo-Velero

el arqueo-velero, el velero primordial, fue un bicho ancestral
que rozó con una de sus alas el mar
la idea le gustó
y probó a mojarse más
y como la densidad del agua es mayor que la densidad del aire
una de sus alas encogió

y así vuela y navega
este curioso bicho aero-náutico, el velero

con alas blancas apuntando a los cielos
y quilla al averno

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Capítulo X

EL EQUILIBRIO DE UN VELERO

Francis S. Kinney, Skene's Elements Of Yacht Design, octava edición (1981) página 91:

"Este es un tema que desconcierta a los expertos. El equilibrio de un velero no se puede predecir con precisión a menos que se haga un tank testing de una maqueta"

porque

"En otras palabras, no sabemos dónde [carallo] está realmente el maldito centro"

el maldito centro de la presión/fuerza del agua

(el señor Francis S. Kinney mirando con amor una de sus maquetas):






claro, los millonetis americanos de los años 60 del pasado siglo disfrutaban de veleros equilibrados, bien equilibrados como el velero de un chaval de 9 años

y aquí el señor Francis S. Kinney se salta a la torera el túnel de viento

si no se dispone de un canal de pruebas y un túnel de viento, entonces hay que atenerse a aparejos sencillos, carenas sencillas y apéndices sencillos, y hacer estimaciones razonables y prudentes a partir de la información publicada por los que disponen de un túnel de viento y un canal de pruebas

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este dibujo está mucho mejor para ver las dos formas en las que se rompe el velero del chaval, el prototipo-1

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cansados y aburridos de teóricos cazamos a lazo un experimentado empirista empírico experimental que pasaba por allí, y lo encerramos treinta años en un túnel de viento con mogollón de maquetas de veleros para que se entretenga jugando, y al final de su encierro va y le decimos:

-quieeetorrr, león, que te vas a enrollar, queremos un resumen resumido y, ojo cuidao, que sirva para hacer estimaciones en el mundo real, así que nada de caricaturas ni cuentos para niños

-joooder, picha, no pides tú ná

-hombre, carallo, pa' algo te hemos encerrado treinta años en un túnel de viento con mogollón de maquetas

-bueno, vale

Arriba apuntando a los cielos tenemos un Ala formada por dos velas

la tripulación trimando las velas (cambiando su orientación, su embolsamiento y su torsión/alabeado) puede jugar con un Coeficiente de Sustentación/FuerzaLateral (CL) entre 1,4 y 0,8

así que obtener una estimación de la sustentación/fuerzalateral (Lift) es sencillo (recordemos de primero de aerodinámica tabernaria que Lift es la fuerza perpendicular al fluido, aire, agua o aceite de oliva virgen)

y ahora necesitamos una estimación de la otra fuerza, la resistencia o arrastre (Drag) que es la fuerza que arrastra en la dirección del fluido

necesitamos los coeficientes de arrastre (CD, ver dibujo):

cabos y cables: 1,1 y el área de referencia es simplemente el diámetro por la longitud, aquí hay que sumarlo todo, y ser generoso que siempre se olvidan cosas, de hecho he dejado fuera las crucetas

palo/mástil: 0,5 y el su área es diámetro por longitud (normalmente se usa 0,4 pero mejor así)

la tripulación: 0,8 (que también podría ser 0,9)

casco/cascarón: 0,7 y el aérea de referencia es el Area lateral del casco/cascarón multiplicado por el seno del ángulo del viento aparente, este apartado es gordo y aquí el número está puesto con mucho esmero, el cascarón crea un montón de arrastre, pero es necesario si se quiere un buen francobordo y por tanto buen puntal por motivos de habitabilidad y seguridad, pues para garantizar una magnífica Estabilidad Estática lo suyo es seguir la siguiente regla de un buen cubero: "Manga / Puntal =< (igual o menor que) 2" y la mitad del peso del barco vacío y pelado a 1 metro de profundidad

las velas

CD_velas =

+ CD_0, que es el rozamiento

+ CD_i, que es el arrastre inducido por la sustentación

+ CD_d, que es el arrastre por el desprendimiento/separación del fluido (bueno, la taquifragía más habitual suele ser CD_s, pero a mí me gusta CD_d porque cuando se aumenta el ángulo de ataque se convierte en el grueso del arrastre, por ahora solo estamos en ceñida, navegando en popa CD_d puede alcanzar 1,1)

el Alargamiento efectivo (ARe) oscila entre 1,1 y 0,9 x el Alargamiento geométrico (ARg) dependiendo de

-fraccionalidad, que es si el borde de ataque formado por la vela de proa es toda una línea recta o forma un ángulo con el palo/mástil

-solapamiento, si la vela de proa se solapa con la vela de popa mejora el alargamiento efectivo

-roach, que es si la vela de popa es muy alunada y está muy llena en su parte de arriba

por ejemplo, un aparejo a tope de palo con una gran vela de proa (génova) tiene un Alargamiento efectivo de 1,1 x su alargamiento geométrico (= altura al cuadrado del puño de driza de la mayor sobre la superficie del mar / dividido entre la superficie vélica en ceñida)