Estos chalados en sus locos cacharros

[Cotarro]

Buenas noches.

Si que había leído la entrada de la autorrotación, me pareció muy interesante.

La verdad que podrían salir varios temas diferentes de las preguntas que le hice, los distintos tipos de motores que se han usado (avión o helicóptero), porque se siguen usando tantos aviones de hélice (ej. Vuelos cercanos como islas) y los helicópteros en cuanto a su vuelo en si (independientemente si son de turbina o pistón).

Las había preguntado por curiosidad, más que por sugerir algo en particular, veo que lo tiene muy bien estructurado y pensado todo así que seguiré atento a los próximos episodios e intentare resolver las preguntas de rigor que nos haga

Un saludo.

[Laertes]

@Cotarro

los distintos tipos de motores que se han usado (avión o helicóptero), porque se siguen usando tantos aviones de hélice (ej. Vuelos cercanos como islas) y los helicópteros en cuanto a su vuelo en si (independientemente si son de turbina o pistón).

Sí, todo esto irá llegando poco a poco. De momento, y relacionada con la siguiente entrada, les planteo una nueva encuesta ¿cómo ponen la boca al soplar las velas en su cumpleaños?

• La abro todo lo que puedo
• La cierro y dejo una salida muy pequeña
• Ya no celebro mi cumpleaños

[Laertes]

Esta vez la pregunta era muy sencilla, efectivamente todos sabemos que para apagar las velas de la tarta de cumpleaños tenemos que cerrar la boca y dejar un agujero muy pequeño. ¿Por qué? Pensemos en ello. Para apagar las velas necesitamos un chorro de aire a cierta velocidad. ¿Cómo lo producimos? Cuando queremos expulsar el aire de nuestros pulmones empujamos con el diafragma con lo que la presión en ellos es ligeramente superior a la presión del aire que nos rodea y como ya vimos en el ejemplo del globo si tenemos dos gases a diferente presión se producirá un desplazamiento del gas de la zona de más presión a la de menos, en este caso de los pulmones a la atmósfera. Pero si dejamos la boca abierta el aire saldrá a poca velocidad por lo que no será capaz de apagar las velas, casi ni llegará a ellas. En cambio si reducimos el área de salida el aire saldrá a mayor velocidad y será capaz de apagarlas.

Lo que hemos hecho, aunque no nos hayamos dado cuenta, es cambiar presión por velocidad, es decir, hemos acelerado el aire a costa de bajar la presión que le habíamos dado inicialmente con el diafragma. Y esto se consigue con un conducto convergente, o lo que es lo mismo, un conducto que va reduciendo su área según se avanza por él. Esto que parece contraintutitivo no es más que una aplicación de la conservación de la masa y la energía. Por la conservación de la masa el caudal (los kg/s de aire de los que hablábamos en la ecuación del empuje) que pasa por la zona “ancha” tiene que ser el mismo que por la zona “estrecha” y esto solo se cumple, piénsenlo, si la velocidad aumenta. Pero como no le estamos ya dando más energía (una vez en la boca el diafragma ya no lo está comprimiendo) al aumentar la velocidad por necesidad tiene que disminuir la presión para que se cumpla la conservación de la energía.

En definitiva, un mecanismo que aumenta la velocidad y que reduce la presión de una corriente de un fluido (gas o líquido) manteniendo la energía igual (salvo las pérdidas por rozamiento inevitables) es lo que se denomina una tobera, palabra que seguro que conocían. Y eso es precisamente lo que hacen con la boca cuando van a apagar las velas: una tobera. Añado aquí que un conducto convergente es una tobera solo si la velocidad del fluido es subsónica (por debajo de la velocidad del sonido en dicho fluido), si es supersónica ya no tenemos una tobera, pero lo veremos más adelante.

Supongo que después de leer esto y las entradas anteriores de la ecuación del empuje del motor y las de las leyes de Newton e incluso el ejemplo del globo les estarán rondando la cabeza varias reflexiones. Se habrán dado cuenta que el pitorro del globo es una tobera y que si ese globo tuviera un orificio de salida más grande el chorro saldría a menos velocidad y que por lo tanto produciría menos empuje según la ecuación del empuje. Se habrán dado cuenta también que por lo tanto los motores tienen una tobera en la salida (y además tienen cientos de toberas en su interior, concretamente en la(s) turbina(s), ya llegaremos) para que ese aire salga a gran velocidad, recuerden lo que decía la ecuación del empuje. Sin embargo no cometan el error que comete mucha gente que es el de pensar que la tobera es la que produce el empuje. El razonamiento erróneo es el siguiente: la ecuación del empuje dice que cuanto mayor es la velocidad de salida de los gases mayor es el empuje, la tobera a la salida del motor es la que aumenta esa velocidad luego la tobera produce el empuje. Esto no es correcto, y para entenderlo lo mejor es volver al ejemplo del globo:

Como pueden ver en el dibujo, en la tobera las flechas que simbolizan la fuerza que hace el gas sobre el globo ¡apuntan hacia atrás! Es decir que en realidad la tobera frena al globo, y es en la zona delantera donde sí vemos que las flechas empujan hacia adelante. ¿No sería mejor entonces, ya que la tobera frena al globo, no tener tobera? No, porque precisamente la tobera es la que permite que en esa zona delantera se den las condiciones necesarias para que se produzca el empuje. El empuje positivo en la parte delantera es mayor que el negativo en la tobera y por lo tanto el empuje neto es positivo. Dicho de otro modo, la tobera no produce el empuje, pero si no estuviera no habría empuje. Esto mismo ocurre en un motor de verdad.

Por último quería resaltar cómo un mecanismo que es básicamente el mismo, (comprimir aire y pasarlo por una tobera) nos sirve para dos propósitos diferentes. En el caso del globo genera un empuje que lo impulsa y hace que vuele (si bien por muy poco tiempo) y el chorro de aire no nos sirve para nada, de hecho como ya vimos con los ejemplos del astronauta y la ecuación del empuje, es una pérdida pero inevitable. Y sin embargo cuando vamos a apagar las velas lo que nos interesa es precisamente ese chorro de aire y no el empuje que el aire hace sobre nuestra boca. Lo que nos lleva a lo que todos estaban esperando: la acostumbrada encuesta. ¿Por qué no salimos disparados como el globo debido al empuje del aire sobre el interior de nuestra boca?

• Porque este caso es diferente al del globo y no se produce ningún empuje dentro de la boca
• Porque nuestra masa es mucho mayor que la del aire que expulsamos y además estamos apoyados en la Tierra luego la pequeña fuerza que es capaz de empujar el chorro de aire no es capaz de acelerar toda esa masa
• Ni idea, no he entendido nada de esta entrada, explica usted fatal

En la siguiente entrada hablaremos del mecanismo que hace lo contrario que la tobera.

[Laertes]

Como han respondido todos correctamente, el empuje que se crea con los pocos gramos de aire que soplamos no es suficiente para impulsarnos en la dirección contraria al chorro como sí lo era para el globo debido a su poca masa. Una vez más volvemos a lo que hemos visto ya en varios ejemplos, que necesitamos mucho más aire (más masa contra la que empujar) si queremos conseguir un empuje apreciable. Ya veremos como se consigue esto, porque en esta entrada vamos a hablar de un mecanismo que hace lo contrario que una tobera: aumenta la presión en una corriente de un fluido a costa de disminuir su velocidad. Este mecanismo se denomina difusor y como ya están imaginando se consigue mediante un conducto divergente, es decir, que aumenta su área:

Igual que la tobera, esto solo es así en flujo subsónico, ya hablaremos más adelante de lo que ocurre si es supersónico. En algunos tipos de motor hay también cientos de difusores en su interior, ya lo veremos, pero siempre hay uno en la entrada del motor. ¿Y por qué? El aire que entra al motor, como ya hemos visto al hablar de la ecuación del empuje, lo hace a la velocidad que vuela el avión. Pero como todos sabemos y hemos visto en los ejemplos del globo y de las velas, el aire es muy poco denso, ocupa mucho volumen con poca masa. Por lo tanto para poder tener más masa en el mismo volumen tenemos que comprimirlo. Y eso es lo que hace el difusor, aumenta su presión y por lo tanto el motor puede ser más pequeño (menor diámetro), igual que hacíamos con el globo pero aquí de manera continua, a costa de reducir su velocidad. Lo que ocurre después de pasar por el difusor depende del tipo de motor y lo iremos viendo para cada uno de ellos. De momento quédense con estos dos elementos de un motor: difusor en la entrada y tobera a la salida.

Solo me queda comentar que en inglés estos elementos se denominan “diffuser” y “nozzle”, en el mundo aeronáutico hay que familiarizarse con este idioma.

A partir de aquí se nos presentan tres caminos, los tres con decenas de entradas y un montón de información: ¿Cuál prefieren seguir?

• Continuar con los tipos de motores
• Pasar a explicar como funcionan las alas y volver más adelante a los motores
• Alternar entradas sobre motores y sobre alas

[Laertes]

El veredicto de la encuesta ha sido muy claro, por lo tanto vamos a empezar hoy a hablar de las alas e iremos intercalando entradas sobre alas y motores. De los cuales les comento que el dibujo al final de la entrada anterior es ya casi casi un motor, solo le falta un elemento para ser el tipo de motor más sencillo que existe.

Pero comencemos a hablar de las alas y para ello recordemos la primera ley de Newton: para que un objeto se mueva a velocidad constante y en línea recta, como queremos que hagan nuestros aviones la mayor parte de su vuelo, la suma de fuerzas que actúan sobre él tiene que ser cero. Ya lo vimos en el eje horizontal donde el empuje del motor es igual al rozamiento con el aire y vamos ahora a ver que en el eje vertical ocurre lo mismo pero con otras dos fuerzas. Una es el peso del avión que es causado por la atracción gravitatoria de la Tierra y que por supuesto tira hacia abajo y la otra es la sustentación, generada principalmente por las alas y que empuja hacia arriba. Lo vemos en la siguiente figura:

Normalmente se usan las iniciales en inglés para referirse a estas 4 fuerzas así que yo voy a hacer lo mismo a partir de aquí:

T=thrust (empuje)

D=drag (resistencia)

W=Weight (peso)

L=lift (sustentación)

Para el vuelo en línea recta y velocidad constante o vuelo de crucero tenemos entonces que:

T=D

L=W

Vuelvo a repetir a aquí que estas dos parejas de fuerzas no son dos parejas de acción-reacción según la tercera ley de Newton, no se olviden que la acción y reacción no actúan sobre el mismo cuerpo y estas fuerzas actúan las 4 sobre el avión. ¿Se atreven a poner en los comentarios cuáles son y en qué cuerpos actúan las cuatro reacciones a estas fuerzas T, D, W y L?

Por otro lado, como seguro que ya saben, representamos las fuerzas como 4 flechas para hacer más sencillos los dibujos y los cálculos, pero la realidad es mucho más compleja ya que estas fuerzas en realidad son millones y millones de “fuercecitas” que sumadas dan las 4 que hemos definido. Por ejemplo el peso actúa en todos los átomos del avión y la resistencia en toda la superficie exterior. Esta simplificación es muy útil ya que permite estudiar el fenómeno mucho más fácilmente.

También es posible que se encuentren estas 4 fuerzas de la siguiente manera, pero ahí ya entramos en otro campo de la cultura humana:

¿Cómo se produce la sustentación? Para que lo vayan analizando ustedes mismos les voy a pedir que hagan un experimento muy sencillo, que pueden hacer mentalmente. Quiero que imaginen que van en coche, pongamos a 80 Km/h, que extienden el brazo y sacan la mano por la ventanilla, pero no en cualquier posición sino de las siguientes maneras:

1- Paralela a la corriente de aire

2- Perpendicular a la corriente de aire

3- Partiendo de la posición paralela inclinarla ligeramente hacia arriba

4- Partiendo de la posición paralela inclinarla ligeramente hacia abajo

En cada una de estas posiciones deben ustedes investigar qué fuerzas y en qué sentido actúan sobre la mano, y qué ocurre en cada una de las 4 posiciones si el coche aumenta o disminuye la velocidad. Ya digo que lo pueden hacer mentalmente pero lo divertido es coger el coche y hacerlo realmente, hay que aprovechar que ya estamos en fase de desescalada ¿no? Pero, claro, háganlo cuando vayan de acompañante, no conduciendo.

Como esta vez les he dejado muchos deberes no vamos a tener encuesta, les animo en cambio a dejar sus comentarios sobre la pregunta y el experimento planteados

[Laertes]

El experimento que les proponía en la entrada anterior no es más que una versión al alcance de cualquiera de lo que hacen los ingenieros aeronáuticos en los túneles de viento. Si no lo han hecho todavía les animo a hacerlo porque entenderán mucho mejor la explicación de esta entrada. De hecho, se pueden sacar conclusiones muy interesantes de él. Dependiendo de sus conocimientos lo que vamos a explicar les puede parecer obvio pero tengan en cuenta que para llegar hasta aquí han hecho falta cientos de años y el esfuerzo de muchos científicos e ingenieros como D’Alambert, varios Bernoulli, Euler, Cayley, Prandtl, Reynolds, Mach y muchos otros. Yo creo que además si tienen niños puede ser muy divertido hacerlo con ellos y despertar en ellos el interés por la ciencia.

Vamos a ver entonces lo que ocurre en los 4 casos del experimento. En el primer caso ponemos la mano paralela a la corriente de aire y lo que notamos es que la resistencia del aire genera un fuerza hacia atrás. Además si variamos la velocidad la fuerza varía proporcionalmente (veremos luego que en realidad es proporcional al cuadrado de la velocidad):

En este caso la resistencia está producida por el rozamiento del aire con la superficie de la mano. En inglés se denomina skin friction drag.

En el caso 2, también notamos una fuerza hacia atrás pero a la misma velocidad es mayor que en el caso 1:

En este caso la resistencia está producida por la separación de la corriente de aire de la superficie del objeto. En la imagen vemos como la corriente de aire ya no sigue la forma del objeto sino que forma remolinos, lo que hace que la presión en la zona donde se separa el aire sea menor. Este tipo de resistencia se llama resistencia de forma (form drag). Un objeto real en una corriente de aire, dependiendo de la forma del objeto, tendrá más de un tipo o de otro, pero siempre tiene ambas. A la suma de las dos se le llama en aeronáutica resistencia parásita (parasitic drag).

Esta resistencia en un avión es perjudicial ya que cuanta más tenga más potente tendrá que ser el motor y más combustible habrá que gastar para mantener una velocidad. Por lo tanto interesa que sea la mínima posible. Para reducir el rozamiento del aire con la superficie hay que tener una superficie lo menos rugosa que se pueda y que no tenga remaches, tornillos o paneles que sobresalgan. La resistencia de forma se reduce haciendo el cuerpo más aerodinámico con curvas suaves y no transiciones bruscas que hagan que el flujo de aire no pueda seguir el contorno, es decir que evite en lo posible la separación del flujo. En la siguiente imagen vemos como se reduce esta separación y por tanto la resistencia de forma, a pesar de tener el mismo área frontal, haciendo el cuerpo más aerodinámico:

Veamos ahora el caso 3. Al estar la mano inclinada en una posición intermedia, lo primero que podríamos pensar es que, si mantenemos la velocidad igual a los casos 1 y 2, se producirá un resistencia intermedia entre esos dos casos y es cierto. Pero además se produce también una fuerza hacia arriba, perpendicular a la corriente de aire. Vamos, que nuestra mano es ya toda un ala produciendo sustentación:

En realidad lo que ocurre es que la suma de todas las fuerzas sobre la superficie del ala (recordemos la presión en cada punto y el rozamiento en cada punto) es un fuerza inclinada y somos nosotros los que para entenderlo mejor la descomponemos en la dirección paralela (resistencia) y perpendicular (sustentación) al aire tal como vemos en la imagen anterior. Lo sorprendente de este caso también es que nuestra mano que de ningún modo está diseñada para ser un ala puede producir sustentación, o dicho de otro modo, una placa plana puede ser un ala. ¿Son las alas de los aviones placas planas? No, como seguro que ya saben tienen la forma que se ve en la figura anterior, un perfil aerodinámico (airfoil en inglés), ya veremos por qué.

El caso 4 es idéntico al caso 3 pero la fuerza apuntará hacia abajo en lugar de hacia arriba. En este caso tendríamos un alerón como los que llevan los coches de Fórmula 1:

Curiosamente en inglés no hay distinción entre ala y alerón, ambos se llaman wing.

Quiero que noten ahora como entre los 4 casos (si mantenemos la velocidad igual entre ellos) la única diferencia es el ángulo con el que inclinamos la mano frente a la corriente de aire. 0º grados en el caso 1, 5º (por ejemplo) en el caso 3 y 90º en el caso 2. Dénse cuenta que la sustentación es 0 en el caso 1, tiene un valor positivo en el caso 3 y vuelve a caer a cero en el caso 2. Esto nos muestra que la sustentación va aumentando con dicho ángulo pero obligatoriamente habrá un ángulo mayor de 0 y menor de 90 en el que la sustentación es máxima y empezará a caer si seguimos aumentándolo para llegar a 0 de nuevo a los 90º. Esto es crucial, quiero que lo entiendan bien.

En cambio la resistencia no tiene ningún máximo intermedio sino que va creciendo con el ángulo para hacerse máxima a los 90º como hemos visto.

Quizás este experimento les ha generado más dudas de las que ya tenían, pero eso no es malo, así es como avanza la ciencia. Por ejemplo igual se están preguntando por qué el coche no echa a volar en el caso 3 o por qué en este mismo caso se produce una fuerza hacia arriba. Intentaremos ir contestando a todas estas preguntas. La respuesta a la primera es muy sencilla, porque la sustentación que produce la mano es mucho más pequeña que el peso del coche y recuerden que decíamos que para poder volar tiene que ser igual al peso. Lo que nos lleva a otra pregunta ¿cómo podemos hacer que la sustentación sea mayor? Una forma ya la hemos visto, aumentando el ángulo de la mano con la corriente de aire, ángulo que por cierto se llama ángulo de ataque. Pero esto hay que hacerlo con cuidado porque al aumentar el ángulo de ataque también aumenta la resistencia, es decir tendremos que pisar más el acelerador si queremos mantener la velocidad, y además, como hemos visto solo podemos aumentar el ángulo hasta cierto valor ya que más allá la sustentación empieza caer y sin embargo la resistencia sigue aumentando, como también hemos visto.

Una entrada hoy con muchos conceptos nuevos y que requiere un poco de esfuerzo para llegar a entenderla, aunque me temo que a partir de aquí todas van a ser así. Quizás intercale alguna también ahondando en el tema con el que empezamos la serie: la belleza de los aviones. En cualquier caso en la siguiente volveremos a los motores y hablaremos del motor más sencillo que existe. No se lo pierdan.

Pero no nos podíamos ir sin hacer una encuesta ¿no? ¿Qué ocurre con la sustentación si aumentamos la velocidad?

• Aumenta
• Disminuye
• No varía

[Laertes]

En la última entrada en la que hablamos de toberas y difusores acabamos con este dibujo:

Este dibujo, de manera esquemática claro, es ya casi un motor. Solo le faltan dos elementos para representar el tipo de motor más sencillo: inyectores de combustible y una bujía para iniciar la combustión, como vemos en la siguiente imagen:

De izquierda a derecha podemos observar los siguientes elementos:

• Entrada de aire y difusor
• Inyectores de combustible y cámara de combustión
• Bujía, no representada en el dibujo
• Tobera

Para entender el funcionamiento de este tipo de motor hay que imaginarse que está desplazándose a gran velocidad, digamos unos 500 km/h o, lo que es lo mismo a efectos de su funcionamiento, que está parado pero en una corriente de aire de 500 km/h. Por la propia velocidad el aire entrará al motor y además como tenemos un difusor el aire se frenará y aumentará su presión. También el aire antes de entrar a al difusor se frenará y comprimirá. Por lo tanto cuando llega a los inyectores de combustible está ya a mucha presión. Si no hacemos nada más ese aire pasará por la cámara de combustión y luego por la tobera y volverá a salir a la misma velocidad con la que entró, con lo que, si recuerdan la fórmula del empuje, no se producirá ningún empuje. En realidad debido al rozamiento se produce una resistencia y el aire saldrá más despacio de lo que entró y como no hay empuje el vehículo irá perdiendo velocidad hasta que se pare.

Sin embargo si inyectamos combustible a través de los inyectores de combustible y damos un chispazo con la bujía se iniciará una combustión que producirá un aumento de temperatura del gas, pero a diferencia de lo que ocurre en los cilindros de un coche, la presión se mantiene constante en la cámara de combustión. ¿Y qué le ocurre a un gas que está a presión constante pero le aumentamos la temperatura? Que su volumen aumenta también y por lo tanto ya no “cabe” en la cámara de combustión, tiene que escapar. Y claro, escapa hacia atrás por la tobera, acelerándose al pasar por ella, ya que por delante está entrando más aire a presión. Pero ahora como tiene más energía, la que le ha dado la combustión, puede acelerar mucho más y salir a más velocidad de la que entró. Por lo tanto ahora sí produce empuje. Pero recuerden que la tobera no es la que produce el empuje aunque sea la que acelera el aire y la fórmula del empuje nos diga que el aire tiene que salir a más velocidad de la que entró para producir empuje. El aire sale más rápido porque el motor le “empuja” y por lo tanto el aire “empuja” al motor con la misma fuerza pero en sentido contrario como ya vimos.

A diferencia de un motor de cilindros y pistones en los que este proceso ocurre en 4 tiempos diferenciados como bien saben, aquí el proceso ocurre de forma continua, es decir, hay una corriente de aire entrando en el motor, hay combustible entrando y quemándose continuamente y aire saliendo continuamente y todo ello ocurriendo al mismo tiempo.

Este tipo de motor se llama estatorreactor porque todas sus piezas son estáticas, ninguna se mueve ni rota. En inglés se llama en cambio ramjet, ram significa embestir o embestida, dado que el aire entra y se comprime porque el motor lo embiste, no hay ningún elemento que fuerce al aire a entrar tal como ocurre en otros tipos de motores que iremos viendo.

En la siguiente imagen pueden ver una configuración más parecida a la realidad, aunque es la de un estatorreactor supersónico que tiene diferencias en el difusor y la tobera, pero ya hablaremos de lo que ocurre en el vuelo supersónico más adelante.

En la siguiente entrada seguiremos hablando del estatorreactor, todavía queda mucho por contar. Para empezar, seguramente ya se habrán dado cuenta de que los aviones, al menos los que todos conocemos, no llevan estatorreactores. Las razones las veremos en la siguiente entrada cuando expliquemos sus ventajas e inconvenientes. Y además lo compararemos con el primer ejemplo de motor que vimos casi al comienzo de este hilo, ¿se acuerdan de él?

Para que reflexionen un poco sobre lo explicado en esta entrada les dejo con la consabida encuesta. ¿Creen que esto motor puede funcionar en realidad o es solo algo teórico?

• Sí funciona
• No funciona

[Laertes]

Vamos a continuar con el estatorreactor porque todavía podemos aprender mucho más sobre su funcionamiento lo que luego nos facilitará además entender motores más complejos. Como bien han contestado casi todos ustedes en la encuesta, este motor funciona en la realidad aunque a primera vista parezca que algo tan sencillo no pueda hacerlo. Desgraciadamente tiene muchas desventajas que lo hacen inviable para propulsar un avión convencional de pasajeros por ejemplo, y hablaremos de esa desventajas en la próxima entrada.

Antes quería dar más detalles de los inyectores de combustible y de la llama que se genera en cada uno de ellos. Lo primero que hay que entender es que estos inyectores en realidad no son tales, no son como los inyectores de un motor diesel por ejemplo, que son válvulas muy complejas que inyectan el combustible en el momento adecuado dependiendo de la posición del pistón. Más bien son como la alcachofa de una ducha ya que están continuamente proporcionando varios chorros de combustible. Y cada motor puede tener varios, desde 6 a más de 15 en diferentes posiciones angulares. En el siguiente video pueden ver una prueba de funcionamiento de los inyectores de combustible de un Orenda 14, un motor muy antiguo y que no es un estatorreactor, pero ilustra perfectamente su función. Fíjense ustedes en la cantidad de combustible que uno solo proporciona, y además comenta en el vídeo que no lo está probando a su máxima capacidad:

Jet Fuel Nozzles 3

Visto el vídeo anterior les será mucho más fácil comprender que la llama que se genera con tal cantidad de combustible no es la llama de una vela o de un mechero, ni siquiera la de una cocina de gas. La cámara de combustión de un motor a reacción es un verdadero infierno, la llama está por encima de 2000C, suficiente para fundir cualquier metal del que pueda estar fabricado el motor. Para hacerme una idea, a mi me gusta comparar esta llama con la que se produce en una antorcha de acetileno de las usadas para soldar. Pues imagínense varias de ellas situadas angularmente dentro del motor produciendo esta llama para tener una idea de lo que ocurre.

Lo cual nos lleva a darnos cuenta de que a pesar de que este motor es el más sencillo que existe desde el punto de vista de que tiene muy pocas piezas comparado con los tipos de motores que iremos viendo más adelante y además ninguna móvil, eso no quiere decir que sea faćil ni diseñar, ni fabricar uno que funcione. Entre otras cosas hay que diseñarlo de tal manera que en ningún momento ninguna de estas llamas toque la paredes del motor porque el resultado sería desastroso.

Merece la pena también en este punto comparar el estatorreactor con el primer motor del que hablamos al empezar la serie: nuestro humilde globo. En un estatorreactor (y en realidad en todos lo motores que iremos viendo) ocurre el mismo proceso que en el globo: cogemos aire de la atmósfera, lo comprimimos y calentamos (no lo dijimos al hablar del globo pero comprimir un gas también lo calienta como habrán podido comprobar si han hinchado alguna vez con una bomba manual las ruedas de la bici) y finalmente lo dejamos escapar por una tobera. Pero hay varias diferencias:

• La principal es que en el globo cada paso ocurre secuencialmente y si queremos tener más de un ciclo tenemos que esperar a que termine el anterior. Nada nos impide inflar el globo tantas veces como sea necesario para mantenerlo en “funcionamiento” pero necesariamente tendremos periodos en los que no está produciendo ningún empuje. En cambio en el estatorreactor los cuatro pasos están ocurriendo a la vez y de manera continua, es decir que siempre estamos “hinchando el globo”, siempre estamos comprimiendo el aire y siempre está produciendo empuje. Hemos resuelto uno de los problemas que tenía el globo, pero en ingeniería, como en la vida, nada es gratis, todo tiene su precio. Y no me refiero solo al coste económico, que es evidente, sino al coste en complejidad y en dificultad. Sí, el estatorreactor es muy sencillo, pero mucho más lo era el globo (si no contamos al humano que lo infla como parte del motor, claro). Esto va a ser una constante que se va a repetir con cada tipo de motor que veamos porque todos ellos van a paliar alguna de las desventajas del tipo anterior pero a costa de ser también más complejos.
• La segunda diferencia es por una parte una diferencia pero también una similitud. En ambos motores estamos aprovechando la energía química de un combustible para comprimir y calentar el aire. Las diferencia es, claro, que en el caso del globo el combustible es la glucosa en nuestro cuerpo y en el caso del estatorreactor será el keroseno que proporcionan los inyectores
• Y una tercera es la forma de comprimir el aire. En el caso del globo por la acción de nuestro diafragma y demás músculos y en el caso del estatorreactor por la embestida del aire y el difusor a la entrada

Lo dejamos aquí de momento, pero no se preocupen porque todavía nos quedan varias entradas para el estatorreactor. Para hacer más amena la espera pueden contestar a la siguiente encuesta. ¿Cuándo creen que se diseñó el primer estatorreactor?

• 1212
• 1492
• 1898
• 1913
• 1939
• 1954

[Laertes]

Decíamos en la entrada anterior que el estatorreactor era inviable como medio de propulsión de un avión convencional. Y esto es así porque su evidente ventaja de sencillez viene acompañada de varias desventajas muy serias. En esta entrada vamos ver cuáles son.

La primera y más grave es que para poder funcionar el motor se tiene que estar desplazando a una velocidad considerable (unos 300-400 Km/h). Es decir, si tenemos un avión parado en la pista esperando a despegar un estatorreactor no sirve para ello. Para entenderlo no tienen más que imaginar lo que ocurriría si estando el avión parado empezamos a inyectar combustible e iniciamos la combustión con la bujía como explicábamos anteriormente. ¿Ven que lo único que lograríamos es un bonito incendio al no haber establecida una corriente de aire a través del motor?

Esta desventaja se podría paliar teniendo otro tipo de motor para despegar y acelerar hasta alcanzar la velocidad necesaria para arrancar el estatorreactor. Y así se hace en alguna aplicación que veremos en la siguiente entrada. Pero aquí entra en juego la segunda desventaja. ¿Se acuerdan de la ecuación del empuje y de cuando hablábamos de “empujar poco aire a mucha velocidad” o “empujar mucho aire a poca velocidad”? El estatorreactor tiende más a la primera categoría, pero con matices. Como ya hemos comentado el aire entra al motor simplemente por la velocidad a la que se desplaza el vehículo que lo lleva, no tiene ningún mecanismo que fuerce al aire a entrar. De hecho la cantidad de aire que entra depende de la velocidad, por lo tanto a mayor velocidad más aire entra y lo tenemos que “empujar” a menos velocidad.

Esto se traduce en que el estatorreactor proporcione poco empuje y sea muy inefieciente a las velocidades que vuelan los aviones normalmente, desde parado hasta más o menos 800-900 Km/h los aviones de pasajeros y hasta Mach 2 (2.400 Km/h) los cazas militares. Estamos en un caso análogo al del astronauta y los granos de arena. El estatorreactor es eficiente para velocidades de alrededor de Mach 3 (unos 3.600 Km/h), ya que la velocidad es lo suficientemente alta para que entre una gran cantidad de aire. Esto no quiere decir que no funcione a 800 Km/h, pero para esa velocidad hay otros motores más apropiados pero, eso sí, mucho más complejos como veremos.

Desgraciadamente nuestro estatorreactor tiene más desventajas. La tercera es que al no tener partes rotativas este motor no puede usarse para alimentar elementos auxiliares como bombas de combustible o generadores eléctricos por lo que un vehículo equipado con un estatorreactor deberá tener algún método alternativo para ello.

Y la cuarta desventaja es el ruido que produce. El ruido de un motor tiene varias causas, pero una de ellas es la velocidad de salida de los gases por la tobera, ya que este depende de la velocidad elevada a la quinta potencia. Y siendo el estatorreactor del tipo “coger poco aire y empujarlo mucho” se pueden imaginar que dicho ruido debe ser infernal.

Terminamos aquí esta entrada. En la siguiente, que creo que será ya la última dedicada al estatorreactor, veremos en qué tipo de vehículos se usó o se usa.

No hay encuesta esta vez, dejo abierta la anterior que parece que hay una pequeña lucha entre dos fechas, anímense a responder. A cambio les dejo un video con una demostración de nuestro humilde estatorreactor (noten como antes de arrancarlo ya tienen una corriente de aire atravesándolo):

https://youtu.be/fFU_k7vp-1I

[Cini]

Maqueta de turbofan Pratt & Whitney JT9D de la antigua escuela de capacitación de mecánicos de IBERIA este motor es uno de los primeros turbofan que se montaron en el Boeing 747

[Laertes]

No se me adelante usted, que todavía nos queda mucho para llegar a los turbofanes.
En cualquier caso le diré que a mi la terminologia americana, aunque se ha impuesto en todo el mundo, no me gusta y yo prefiero la antigua de Rolls-Royce. Esto lo considero un turborreactor de doble flujo. Ya llegará el momento de explicar por qué.

Ahora ya en serio, muchas gracias por la foto, una preciosidad.

Edito para preguntar: ¿No es un JT8D?

[Cini]

Creo que no, si mal no recuerdo el JT8 lo montaban el Boeing 727 y el DC9

[Laertes]

Correcto, pero el JT9D, usando la terminología americana, es un high bypass turbofan y el de su foto es claramente un low bypass turbofan, luego no parece que sea un JT9D. Para serlo debería tener una sola etapa en el fan y éste ser de mayor diámetro:

[Laertes]

Ha llegado el momento de conocer en dónde se utiliza el estatorreactor ya que como vimos no se monta en ningún avión debido a sus desventajas. Pero antes diremos que el inventor del estatorreactor fue René Lorin en 1913. Desgraciadamente nunca pudo fabricar uno ya que en aquella época los aviones eran demasiado lentos como para poder volar con uno.

Otro francés, René Leduc, tuvo más suerte años después, ya que en 1949 su Leduc 0.10 se convirtió en el primer avión propulsado únicamente por un estatorreactor. Como ya vimos, este motor no puede producir empuje a velocidad cero y por lo tanto para despegar iba montado sobre otro avión para una vez alcanzada suficiente velocidad arrancar el motor y desacoplarse del avión nodriza. En la siguiente imagen lo podemos ver precisamente despegando a lomos de un Sud-Est Languedoc:

El propio fuselaje del avión es el estatorreactor, en la foto se puede apreciar la entrada de aire alrededor del cono de proa. El piloto se situaba detrás de este cono, como se aprecia en la siguiente imagen:

Pocos años después construyó un segundo modelo algo más grande, el Leduc 0.21

E incluso un modelo, el Leduc 0.22 que pretendía ser supersónico pero no lo consiguió. Este podía despegar por sus propios medios ya que además del estatorreactor tenía un turborreactor (que ya explicaremos en el futuro).

Crédito: Prototypes.com/La saga des statoréacteurs/I. Introduction

El estatorreactor lo forma el propio fuselaje del avión con la entrada de aire justo detrás del piloto. El turborreactor se localiza en el centro del fuselaje justo detrás de donde las alas se unen a él.

Si alguien quiere profundizar más en la historia del estatorreactor en Francia pude navegar por la siguiente página, aunque desgraciadamente (para mí) está en francés:

http://xplanes.free.fr/stato/stato-1.html

También se pueden encontrar unos pocos videos:

Les avions Leduc

Finalmente en Francia se construyó un caza también equipado con un estatorreactor y un turborreactor, el Nord 1500 Griffon, en el siguiente video lo podemos ver en el salón aeronáutico de París, Le Bourget en 1959:

Nord 1500 Griffon

De todos estos aviones solo se construyeron unos pocos prototipos y nunca entraron en servicio debido a que los turborreactores, y más tarde los turbofanes, como veremos, son mucho mejores para las velocidades de un caza y sobre todo para avione subsónicos. Hoy en día algunos se pueden visitar en el Musée de l’air et de l’espace en Le Bourget a las afueras de París.

Otros países también construyeron aviones propulsados por estatorreactores, con el mismo resultado, claro. Sin embargo, hay otro aplicación para la que los estatorreactores pueden resultan la mejor opción: los misiles. Normalmente solo vuelan una vez, por lo que cuanto más sencillo y barato el motor mejor, la mayoría vuelan a velocidades más altas que los aviones y además muchos los lanza un avión con lo que no se requiere que produzca empuje a velocidad 0. Uno de los más recientes es el ruso-indio Brahmos:

Está equipado también con un motor cohete para el despegue y una vez en vuelo es propulsado por un estatorreactor.

BrahMos Missile - World's Best Supersonic Cruise Missile In Action

Con esto terminamos las entradas dedicadas al estatorreactor. Les dejo la acostumbrada encuesta. ¿Conocían ya este tipo de motor?

• Sí
• Sí, pero no sabía que aplicaciones tiene
• No

[Laertes]

Breve comentario para decirles que el resultado de esta encuesta me llena de alegría, no porque me alegre de que no conocieran este motor, sino porque he podido contribuir con lo poco que sé a que conozcan un poco más sobre este fascinante mundo.

Al fin y al cabo ampliar el conocimiento de todos es uno de los objetivos del foro ¿no?

[Laertes]

Ya que hemos terminado con el estatorreactor, al menos por ahora, vamos a continuar avanzando en el tema de las alas, en concreto vamos a profundizar en los parámetros que definen la sustentación y la resistencia, que como ya hemos comentado siempre está ahí y por lo tanto hay que intentar minimizarla. O dicho de otro modo, lo que intenta un ingeniero aeronáutico al diseñar un avión es conseguir la máxima sustentación con la mínima resistencia en el punto de funcionamiento principal (o de diseño) del avión. Este es un parámetro clave y en inglés se conoce como “lift to drag ratio” o L/D, recuerden que L es la sustentación y D es la resistencia.

En la entrada anterior vimos como la sustentación depende principalmente de la velocidad y del ángulo de ataque. Pero también depende, como es obvio del tamaño del ala, es decir del área, y de la forma, o sea, el perfil aerodinámico de dicho ala. No olviden que una simple tabla plana, o nuestra mano, también produce sustentación si la introducimos en una corriente de aire con un ángulo de ataque. La razón por la que las no son planas y tienen un perfil aerodinámico es porque su relación L/D es mucho mejor que la de un simple plano, al menos a velocidades subsónicas.

Además depende, claro, del gas en el que estemos volando. Todo esto que puede parecer muy complicado se resume en una fórmula muy conocida. Aunque el propósito de esta serie es utilizar fórmulas lo mínimo posible no podemos evitar hablar de esta fórmula porque contiene muchísima información:

Y la fórmula de la resistencia es muy parecida

Donde:

ρ: Densidad del aire

V: velocidad del avión

A: Área del ala

CL: Coeficiente de sustentación

CD: Coeficiente de resistencia

En principio la densidad del aire y el área son cantidades que no varían una vez que tenemos el avión en vuelo de crucero, o mejor dicho, el piloto no las puede controlar. En cambio la velocidad y los coeficientes de sustentación y de resistencia sí. Estos dos coeficientes se calculan de manera empírica analizando en un túnel de viento diferentes perfiles. Son la manera sencilla de introducir en la fórmula un montón de parámetros que afectan a la sustentación, como pueden ser la forma del perfil aerodinámico del ala y el ángulo de ataque.

Para cada perfil se generan curvas con el valor de cada coeficiente en función del ángulo de ataque, manteniendo el resto de parámetros, como la velocidad, constantes.

En la parte izquierda de la gráfica anterior observamos las curvas del coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque para varios perfiles diferentes y vemos que no es más que la representación gráfica de lo que ya dedujimos del experimento de sacar la mano por la ventanilla. El coeficiente de sustentación, y por lo tanto la sustentación, aumenta con el ángulo de ataque hasta un cierto ángulo, el ángulo crítico, en que empieza a caer y se dice que el ala entra en pérdida (wing stall en inglés). El coeficiente de resistencia, en cambio, como vemos en la parte derecha de la gráfica y como ya sabíamos, crece siempre con el ángulo de ataque. Visto esto creo que queda muy claro que un avión siempre procurará volar con un ángulo de ataque menor al ángulo crítico.

Volvamos ahora a la relación L/D que comentábamos más arriba. Si dividimos la fórmula de L entre la fórmula de D vemos que todos los términos se cancelan excepto los propios coeficientes:

L/D = CL / CD

Pero como acabamos de ver los coeficientes no son constantes, lugo L/D tampoco lo será y variará igualmente con el ángulo de ataque. Si ponemos todo esto junto en una misma gráfica obtenemos lo siguiente:

https://www.flightliteracy.com/wp-content/uploads/2017/11/5-5.jpg

En rojo vemos el coeficiente de sustentación con su ya conocida forma, en naranja el de resistencia también ya conocido, y en verde L/D, que como habíamos previsto es también variable y además vemos que tiene un máximo a un cierto ángulo de ataque. Nótese que cada curva tiene diferente escala, por ejemplo el máximo del coeficiente de sustentación es 1,5 aproximadamente mientras que L/D máximo es aproximadamente 13. Para que esto se cumpla, evidentemente el coeficiente de resistencia es mucho menor que el de sustentación. Vemos una vez más la importancia de minimizar el rozamiento. Por supuesto estos son valores para un perfil aerodinámico concreto y diferentes perfiles tendrán diferentes curvas.

Este ángulo de ataque en el que L/D es máximo es, por supuesto, diferente para cada avión y el diseñador, dependiendo del tipo de avión decidirá si le interesa que esté en un punto u otro, iremos viendo por qué.

¿Recuerdan cuando hablamos del planeo y comentamos que todos los aviones pueden planear pero que cada avión era capaz de planear con un cierto ángulo de planeo, es decir que avanzaba x metros por cada metro que caía? Pues este ángulo depende directamente de la relación L/D. Por lo tanto un avión diseñado expresamente para planear tendrá una relación L/D máxima muy alta. Como ejemplo de esto tenemos la siguiente tabla que muestra esta relación para varios aviones e incluso animales:

Crédito: Lift-to-drag ratio - Wikipedia

En primer lugar tenemos a un planeador puro con un L/D máximo de 70, lo cual significa que avanza 70 metros por cada metro que cae. También tenemos en la cuarta línea al Boeing 767 de Air Canada del que ya hablamos con un L/D máximo de 12. E incluso tenemos a un helicóptero en autorrotación con L/D 4. Reiterar que estos son los valores de L/D máximos, un piloto que quiera planear la máxima distancia lo hará planeando con el ángulo de ataque correspondiente a este L/D máximo para su avión. Si lo hace con cualquier otro ángulo el L/D será menor.

Volvamos ahora a la fórmula de la sustentación:

Como ya sabemos, la sustentación para poder mantener el vuelo de crucero tiene que ser igual al peso del avión. Hay situaciones en que la sustentación es mayor que el peso, como cuando un avión está girando, pero eso ya lo veremos más adelante. De momento vamos a quedarnos con que la sustentación es igual al peso. Vemos que según la fórmula esa sustentación la podemos conseguir con infinitas combinaciones del coeficiente de sustentación y de la velocidad. Y como el coeficiente de sustentación depende del ángulo de ataque como ya hemos visto, a cada ángulo de ataque le corresponderá una velocidad para obtener dicha sustentación: cuanto más rápido vayamos menos ángulo de ataque se necesita para mantener la sustentación, y viceversa claro:

Crédito: Flying Lessons

Pero cuidado, porque ya hemos visto que el ángulo de ataque tiene un límite en el que el coeficiente de sustentación empieza a caer, por lo tanto tendremos una velocidad mínima, correspondiente a ese coeficiente de sustentación máximo, por debajo de la cual el avión no puede mantener el vuelo horizontal y empezaría a caer. Esto en sí no es grave, basta con reducir el ángulo de ataque bajando el morro y aumentando la velocidad para recuperarse, a costa de perder altitud. El problema es si además estamos volando a baja altura, como ocurre por ejemplo en el despegue o el aterrizaje, y no hay distancia para poder recuperarse. Fijense que precisamente tanto en el despegue como en el aterrizaje el avión está volando a poca velocidad, con un coeficiente de sustentación alto, y por lo tanto con un ángulo de ataque cercano al ángulo de ataque crítico y además a muy poca distancia del suelo por lo que entrar en pérdida en esta situación lleva casi siempre a estrellarse.

Un ejemplo muy claro de alto ángulo de ataque es el Concorde aterrizando:

24 Oct 03-Concorde-last-landing-BBC-edit4b.wmv

Le dejamos aquí de momento, pero les enlazo un video muy interesante de un perfil aerodinámico en un túnel de viento donde se observa muy bien lo que ocurre con el aire al ir aumentando el ángulo de ataque hasta entrar en pérdida.

how wings work? Smoke streamlines around an airfoil

[Laertes]

Para que se entienda mejor el concepto de ángulo de ataque y su relación con la velocidad para producir sustentación les recomiendo que vean estos dos vídeos muy cortitos. En ambos aparece el mismo avión, un F-16, dando una pasada a baja altura y produciendo la misma sustentación. Pero en el primero lo hace a baja velocidad y por lo tanto con un alto ángulo de ataque y en el segundo lo hace a gran velocidad y con un ángulo de ataque pequeño.

USAF Thunderbirds Low Speed Pass

United States Air Force Thunderbirds High Speed Pass

En un caza como el F-16 es donde mejor se aprecian estas diferencias ya que pueden volar en un rango muy amplio de velocidades y de hecho su diseño está pensado para volar a altas velocidades. Un avión diseñado para volar a bajas velocidades como cualquier avioneta de aeroclub puede volar a una velocidad similar a la del primer vídeo del F-16 con un ángulo de ataque mucho menor pero no puede alcanzar, ni mucho menos, la velocidad del segundo vídeo.

[Laertes]

Si han viso ustedes los dos vídeos que enlazo arriba, les pido que contesten a esta encuesta. ¿Está realmente el F-16 produciendo la misma sustentación en ambos vídeos?

• Sí
• No

[Fanguillas]

Es obvio que si, porque vuelan a la misma altura. Si la sustentación fuese distinta sin variar el ángulo uno subiría mas.

[Pacheco49]

Pues creía que a más velocidad menos sustentación , con la velocidad un vehículo tiende a elevarse , por ejemplo una motora o cuando pasas sobre un suelo con poco resistencia tiendes a hacerlo a máxima velocidad ; espero no meter la pata .