Els avions volen gràcies a una combinació de principis físics que actuen sobre ells, els quals permeten generar la força necessària per mantenir-se a l'aire i desplaçar-se.
Los más importantes son la aerodinámica, la fuerza de sustentación, la propulsión y el control de vuelo. A continuación, se explicarán estos conceptos en detalle, así como la historia y evolución del vuelo, hasta llegar a los aviones modernos.
Principis físics del vol
1. Sustentació
La força de sustentació és la clau del vol dels avions i és generada principalment per les ales.
Per comprendre com es produeix, cal entendre alguns principis bàsics de l'aerodinàmica, com ara el principi de Bernoulli i la tercera llei de Newton.
Principi de Bernoulli
Aquest principi estableix que una major velocitat d'un fluid, menor serà la seva pressió.
En el cas d'un avió, el "fluido" és l'aire. Las alas de un avión tienen una forma particular, llamada perfil alar, que es curvada en la parte superior y más plana en la parte inferior. Quan el avión se mueve hacia adelante, el aire fluye sobre y bajo las alas. Debido a la forma del perfil alar, l'aire que passa per la part superior de l'ala té que recorrer una major distància en el mateix temps que l'aire que passa per la part inferior, el que provoca que l'aire sobre la part superior es mueva. més ràpid.
Segons el principi de Bernoulli, en moure's més ràpid, la pressió sobre la part superior de l'ala és menor que a la part inferior. Aquesta diferència de pressions genera una força cap amunt, coneguda com a sustentació, que aixeca l'avió.
Llei de Newton
A més del principi de Bernoulli, la tercera llei de Newton, que estableix que "per a cada acció hi ha una reacció d'igual magnitud i en sentit contrari", també hi juga un paper important en la generació de sustentació.
El flux d'aire desviat cap avall en passar per l'ala genera una força de reacció cap amunt, que també contribueix a la sustentació de l'avió.
2. Propulsió
El següent component clau en el vol dels avions és la propulsió, que és la força que impulsa l'avió cap a endavant. Esta força és produïda pels motors de l'avió, que poden ser motors de reacció (en la majoria de les aviones comercials) o hélices (en avions més petits o antics).
La propulsión es lo que permite que el avión mantenga una velocidad suficiente para que las alas generen sustentación.
En el caso de los motores a reacción, funcionan expulsando gases a alta velocidad hacia atrás.
Segons la tercera llei de Newton, la reacció a aquesta expulsió és una força que empeny l'avió cap endavant. En el cas de les hèlixs, aquestes giren ràpidament i empenyen l'aire cap enrere, cosa que genera una força d'avanç que mou l'avió cap endavant.
3. Resistencia y peso
Hi ha dues forces addicionals que han de ser contrarestades perquè un avió pugui volar: la resistència i el pes.
-
Resistència: És la força que s'oposa al moviment de l'avió a través de l'aire. Es produeix a causa del fregament de l'avió amb les molècules d'aire, cosa que genera una fricció que tendeix a alentir l'avió. Els dissenyadors d'avions treballen per reduir la resistència aerodinàmica, donant-los formes suaus i optimitzades.
-
Pes: El pes de l'avió, que és la força que actua cap avall a causa de la gravetat, ha de ser contrarestat per la força de sustentació perquè l'avió no caigui. La sustentació ha de ser més gran que el pes perquè l'avió pugi, i ha d'igualar-lo perquè mantingui un vol estable.
4. Control de vol
Para controlar la dirección y estabilidad del avión en el aire, se utilizan diferentes superficies de control ubicadas principalmente en las alas y la cola del avión. Estas superficies son:
- Alerones: Ubicados en las alas, permiten que el avión gire sobre su eje longitudinal, inclinándose hacia un lado u otro (esto se conoce como "alabeo").
- Timó de direcció: Situat a la part vertical de la cua, permet controlar el gir de l'avió sobre el seu eix vertical (moviment conegut com a “guinyada”).
- Elevadores: Ubicats en la parte horitzontal de la cola, permeten controlar la inclinació de l'avió sobre el seu eje lateral, és decir, fan que l'avió suba o baix (movimiento llamado "cabeceo").
5. Velocitat i altitud
La velocitat de l'avió és crucial perquè es produeixi la sustentació. A velocitats baixes, la quantitat d'aire que passa sobre les ales no és suficient per generar la sustentació necessària, i l'avió pot perdre alçada o fins i tot entrar en una situació de pèrdua (quan el flux d'aire sobre l'ala se separa de la superfície i l'ala deixa de generar sustentació).
Per això, els avions necessiten assolir una velocitat mínima per despegar i mantenir-se a l'aire. Una vegada en vol, han de mantenir una velocitat adequada depenent de l'altitud i condicions de vol.
Pel que fa a l'altitud, a mesura que l'avió puja, la densitat de l'aire disminueix, cosa que pot afectar tant la sustentació com l'eficiència dels motors. Els avions estan dissenyats per volar a altituds on l'aire és menys dens, cosa que redueix la resistència aerodinàmica i permet un vol més eficient. Tot i això, els pilots han de tenir en compte les condicions atmosfèriques i ajustar la velocitat i l'angle d'atac (la inclinació de l'ala respecte al flux d'aire) per mantenir un vol estable.
Comparació amb vol d'un helicòpter
Los aviones y los helicópteros vuelan mediante principios aerodinámicos similares, pero existen diferencias clave en cómo generan la sustentación y se controlan en el aire.
Generación de sustentación
- Avions : Generen sustentació a través de les seves ales fixes. Per volar, s'han de moure cap endavant, cosa que permet que l'aire flueixi sobre les ales i creï una diferència de pressió que els manté a l'aire.
- Helicópteros : Generan sustentación mitjançant els seus rotores , que actuen com a alas giratòries. El rotor principal de l'helicóptero gira ràpidament i mou l'aire cap avall, el que crea una força de reacció cap a dalt, permetent el despegue i el vol vertical sense necessitat de moviment cap endavant.
Propulsió
- Avions : Utilitzen motors a reacció o hèlixs per generar una força d'empenta cap endavant, necessària perquè l'aire flueixi sobre les ales i es produeixi la sustentació.
- Helicòpters : No necessiten desplaçar-se cap endavant per volar. El rotor principal no només proporciona sustentació, sinó també empenta, permetent a l'helicòpter desplaçar-se en qualsevol direcció (endavant, enrere i lateralment).
Control
- Aviones: Utilizan alerones, timón y elevadores para controlar el vuelo. Estos permiten girar y subir o bajar, pero siempre necesitan avanzar.
- Helicópteros : Controlan el vol ajustando l'angle dels rotores (cíclico i col·lectiu) i utilitzant el rotor de cola per controlar la guiñada, el que els permet despegar i aterrizar verticalment, i mantenir-se en un punt fijo a l'aire (flotar o "hovering". ").
Comparació amb el vol d'un globus aerostàtic
El vol d'un avió i d'un globus aerostàtic es basen en principis completament diferents quant a com es genera la sustentació, la propulsió i el control.
Generació de sustentació
- Avions : Generen sustentació a través de les seves ales fixes. Perquè l'avió voli, necessita moure's cap endavant, cosa que permet que l'aire passi sobre les ales i generi una diferència de pressió que el manté a l'aire.
- Globus aerostàtics : No generen sustentació a través del moviment o ales. En lloc d'això, funcionen basant-se en el principi de flotabilitat o principi d'Arquimedes , que estableix que un objecte submergit en un fluid (en aquest cas, l'aire) experimenta una força cap amunt igual al pes del fluid desplaçat. L'aire calent dins del globus és menys dens que l'aire fred que l'envolta, cosa que fa que el globus suri cap amunt.
Propulsió
- Avions : Utilitzen motors (a reacció o hèlixs) per generar empenta cap endavant, cosa que els permet avançar i generar la sustentació necessària per al vol.
- Globus aerostàtics : No tenen un sistema de propulsió activa. El globus simplement flota amb els corrents d'aire, i és incapaç de moure's intencionalment en una adreça específica. Només puja o baixa en escalfar o refredar l'aire al seu interior.
Control
- Aviones: Utilizan superficies de control (alerones, timón, elevadores) para maniobrar en el aire. Los pilotos tienen control sobre la dirección, la altitud y la velocidad.
- Globus aerostàtics El control és molt més limitat. Els pilots poden controlar només l'altitud ajustant la quantitat de calor al globus, però la direcció depèn dels corrents de vent, ja que el globus no té control directe sobre el desplaçament horitzontal.
Evolució del vol humà
Els pioners del vol
La idea del vol ha fascinat la humanitat des de temps antics. Tot i això, no va ser fins a finals del segle XIX i principis del segle XX que es va aconseguir el primer vol controlat i sostingut.
Los hermanos Wright, Orville y Wilbur, aconseguiron aquest èxit el 17 de desembre de 1903, amb el seu avió Flyer I. Aquest avió estava equipat amb alas fijas i un motor, i el seu èxit va ser el resultat d'anys d'investigació en aerodinàmica, control de vol i motors lleugers.
Desenvolupament d'avions comercials
A mesura que la tecnologia avançava, es van dissenyar avions més grans i eficients. Durant la Primera i Segona Guerra Mundial, l'aviació militar va impulsar molts avenços en el disseny d'avions, que després es van traslladar a l'aviació comercial.
Los aviones comenzaron a ser utilizados para el transporte de pasajeros y carga, y la aviación civil creció exponencialmente durante el siglo XX.
Una de les fites més importants en l'aviació comercial va ser el desenvolupament del Boeing 707 a la dècada de 1950, un dels primers avions comercials a reacció. Aquest avió va revolucionar el transport aeri en permetre vols més ràpids ia distàncies més grans, i va marcar l'inici de l'era dels avions a reacció.
Avions moderns
Avui dia, els avions són màquines altament sofisticades, amb sistemes avançats de navegació, control i seguretat. Els avions comercials moderns, com ara el Boeing 787 Dreamliner o l'Airbus A350, estan dissenyats per ser extremadament eficients en termes de consum de combustible i reduir les emissions de carboni.
A més, les millores en materials compostos i aerodinàmica permeten que els avions siguin més lleugers, cosa que redueix el pes i, per tant, el consum de combustible.
La introducción de tecnologías como los motores de alta eficiencia y el uso de materiales compuestos ligeros ha permitido que los aviones modernos sean más silenciosos y económicos.
L'automatització també ha tingut un paper fonamental en el control del vol, amb sistemes de pilot automàtic que permeten que els avions volen trajectòries predeterminades amb mínima intervenció humana.