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Presión dinámica en fuerzas aerodinámicas

1910
  • Otto Lilienthal
  • Wright brothers
  • Ludwig Prandtl
Instalación de ensayos aerodinámicos con túnel de viento y ala de avión modelo para ingeniería aeronáutica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Las fuerzas aerodinámicas, como la sustentación y la resistencia, sobre un objeto son directamente proporcionales a la dinámica presión of the surrounding fluid. The formulas are [latex]L = C_L \cdot q \cdot A[/latex] and [latex]D = C_D \cdot q \cdot A[/latex], where [latex]C_L[/latex] and [latex]C_D[/latex] are the dimensionless lift and drag coefficients, [latex]q[/latex] is the presión dinámica, and [latex]A[/latex] is a reference area.

El uso de la presión dinámica para definir las fuerzas aerodinámicas es una piedra angular de la ingeniería aeronáutica, que permite un método de análisis potente llamado análisis dimensional. Al expresar la sustentación y la resistencia en términos de presión dinámica ([latex]q[/latex]), un área de referencia ([latex]A[/latex]) y un coeficiente adimensional ([latex]C_L[/latex] o [latex]C_D[/latex]), los ingenieros pueden separar los efectos de las propiedades del fluido y la velocidad de los efectos de la forma del objeto. Los coeficientes [latex]C_L[/latex] y [latex]C_D[/latex] dependen principalmente de la forma del cuerpo, su orientación con respecto al flujo (ángulo de ataque) y la Número de Reynolds y Número de MachEsta separación resulta increíblemente útil. Por ejemplo, se puede probar un modelo a escala de un avión en un túnel de viento, y los coeficientes de sustentación y resistencia medidos pueden utilizarse para predecir con precisión las fuerzas que actúan sobre el avión a escala real en diferentes condiciones de vuelo (diferentes altitudes, y por lo tanto, diferentes densidades, y diferentes velocidades).

Una aplicación fundamental de este concepto en el sector aeroespacial es la noción de “Max Q”, que se refiere al punto durante el ascenso atmosférico de una nave espacial en el que experimenta la máxima presión dinámica. Cuando un cohete acelera, su velocidad ([latex]u[/latex]) aumenta, haciendo que [latex]q[/latex] aumente. Simultáneamente, a medida que gana altura, la densidad atmosférica ([latex]\rho[/latex]) disminuye, haciendo que [latex]q[/latex] descienda. La combinación de estos dos efectos opuestos da lugar a un valor máximo de presión dinámica. Este es un momento de máxima tensión mecánica en el vehículo, y su estructura debe estar diseñada para soportar estas cargas. Reducir la potencia de los motores en torno al Q máximo es una estrategia habitual para reducir estas tensiones y garantizar la integridad estructural del vehículo.

UNESCO Nomenclature: 3301
- Ingeniería y tecnología aeronáuticas

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Principio de Bernoulli
  • Definition of presión dinámica
  • Leyes del movimiento de Newton y conceptos de resistencia de los fluidos
  • Los primeros trabajos experimentales sobre perfiles aerodinámicos realizados por pioneros como George Cayley

Aplicaciones

  • diseño de alas y fuselajes de aeronaves
  • Modelado de carrocerías de automóviles y coches de carreras para lograr carga aerodinámica y eficiencia.
  • Diseño de álabes de turbina para generación de energía
  • Diseño de velas para barcos y yates
  • análisis de trayectorias de proyectiles (balística)
  • Ingeniería eólica para la estabilidad de los edificios

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Alas de aeronaves que cambian de forma activa su forma aerodinámica para optimizar la relación sustentación-resistencia en función de lecturas de presión dinámica en tiempo real.
  • Paracaídas inteligentes que ajustan su área de cubierta o porosidad para mantener una velocidad de descenso constante independientemente de la densidad del aire a diferentes altitudes.
  • Sistemas de monitorización del rendimiento para ciclistas profesionales que proporcionan datos del coeficiente de resistencia en tiempo real basados ​​en la potencia de salida y sensores de presión dinámica.
  • Drones autónomos que buscan y aprovechan las corrientes térmicas detectando cambios sutiles en la presión dinámica y la sustentación.
  • wind turbine blades with active flow control surfaces (e.g., micro-flaps) that adjust to maximize energy capture across a range of wind speeds
  • Monoplazas de Fórmula 1 con elementos aerodinámicos activos que reducen la resistencia en las rectas y aumentan la carga aerodinámica en las curvas, controlados mediante datos de presión dinámica.
  • Perfiles de ascenso del vehículo de lanzamiento que se optimizan dinámicamente en tiempo real para navegar a través de q máximo con mínima tensión estructural
  • advanced ballistic vests designed to better dissipate the dynamic pressure wave from a projectile’s impact
  • Vidrio arquitectónico para rascacielos con sensores integrados que pueden predecir y contrarrestar las tensiones inducidas por el viento alterando su rigidez.
  • Ropa para patinadores de velocidad que incorpora estructuras de riblet cuya eficacia está ajustada al rango de presión dinámica específico del deporte.
Related to: aerodynamics, lift, drag, dynamic pressure, lift coefficient, drag coefficient, airfoil, fluid dynamics, aeronáutico engineering, max q.

Contexto histórico

Presión dinámica en fuerzas aerodinámicas

1903
1906
1910
1910
1910
1920
1920
1900
1903-05-10
1910
1910
1910
1910
1920
1920

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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