Ascensor (fuerza)

Un fluido que fluye alrededor de un objeto ejerce una fuerza sobre él. La sustentación es el componente de esta fuerza que es perpendicular a la dirección del flujo que se aproxima. [1] Contrasta con la fuerza de arrastre , que es la componente de la fuerza paralela a la dirección del flujo. El ascensor actúa convencionalmente en dirección ascendente para contrarrestar la fuerza de la gravedad , pero puede actuar en cualquier dirección en ángulo recto con el flujo.

Si el fluido circundante es aire, la fuerza se llama fuerza aerodinámica . En agua o cualquier otro líquido, se llama fuerza hidrodinámica .

La sustentación dinámica se distingue de otros tipos de sustentación en fluidos. Ascensor aerostático o flotabilidad , en el que un fluido interno es más liviano que el fluido circundante, no requiere movimiento y es utilizado por globos, dirigibles, dirigibles, botes y submarinos. El planeo elevador , en el que solo la parte inferior del cuerpo se sumerge en un flujo de líquido, es utilizado por lanchas a motor, tablas de surf, windsurf, veleros y esquís acuáticos.

Un fluido que fluye alrededor de la superficie de un objeto sólido aplica una fuerza sobre él. No importa si el objeto se mueve a través de un fluido estacionario (por ejemplo, un avión volando por el aire) o si el objeto está estacionario y el fluido se mueve (por ejemplo, un ala en un túnel de viento) o si ambos se mueven (por ejemplo, un velero que usa el viento para avanzar). La sustentación es el componente de esta fuerza que es perpendicular a la dirección del flujo que se aproxima. [1] La sustentación siempre va acompañada de una fuerza de arrastre , que es la componente de la fuerza superficial paralela a la dirección del flujo.

La sustentación se asocia principalmente con las alas de los aviones de ala fija , aunque es más ampliamente generada por muchos otros cuerpos aerodinámicos , como hélices , cometas , rotores de helicópteros , alas de autos de carrera, velas marítimas , turbinas eólicas y quillas de veleros , timones de barcos. , e hidroalas en el agua. El ascensor también es utilizado por animales voladores y deslizantes , especialmente por pájaros , murciélagos e insectos ., e incluso en el mundo vegetal por las semillas de ciertos árboles. [2] Si bien el significado común de la palabra " elevación " asume que la elevación se opone al peso, la elevación puede tener cualquier dirección con respecto a la gravedad, ya que se define con respecto a la dirección del flujo en lugar de la dirección de la gravedad. Cuando un avión navega en vuelo recto y nivelado, la mayor parte de la sustentación se opone a la gravedad. [3] Sin embargo, cuando una aeronave está ascendiendo , descendiendo o ladeándose en un viraje, la sustentación se inclina con respecto a la vertical. [4] La sustentación también puede actuar como carga aerodinámica en algunas maniobras acrobáticas ., o en el ala de un coche de carreras. La sustentación también puede ser en gran parte horizontal, por ejemplo, en un velero.

La sustentación discutida en este artículo está principalmente relacionada con los perfiles aerodinámicos, aunque los hidroalas marinas y las hélices comparten los mismos principios físicos y funcionan de la misma manera, a pesar de las diferencias entre el aire y el agua, como la densidad, la compresibilidad y la viscosidad.

El Wright Glider de 1902 muestra su sustentación tirando hacia arriba
La sustentación se define como la componente de la fuerza aerodinámica que es perpendicular a la dirección del flujo, y la resistencia es la componente que es paralela a la dirección del flujo.
Una sección transversal de un ala define una forma aerodinámica.
Cuando un perfil aerodinámico genera sustentación, desvía el aire hacia abajo, y para hacer esto debe ejercer una fuerza hacia abajo sobre el aire. La tercera ley de Newton requiere que el aire ejerza una fuerza igual hacia arriba sobre el perfil aerodinámico.
Una ilustración de la explicación incorrecta del tiempo de tránsito igual de la sustentación del perfil aerodinámico. [7]
Líneas aerodinámicas y tubos de corriente alrededor de un perfil aerodinámico que genera sustentación. Tenga en cuenta los tubos de flujo más angostos arriba y los tubos de flujo más anchos debajo.
Ángulo de ataque de un perfil aerodinámico
Un perfil aerodinámico con camber en comparación con un perfil aerodinámico simétrico
Flujo de aire que se separa de un ala en un alto ángulo de ataque
Flujo alrededor de una superficie aerodinámica: los puntos se mueven con el flujo. Los puntos negros están en intervalos de tiempo , que se dividen en dos, una parte superior y otra inferior, en el borde de ataque. Una marcada diferencia de velocidad entre las líneas aerodinámicas de la superficie superior e inferior se muestra más claramente en la animación de la imagen, con los marcadores superiores llegando al borde posterior mucho antes que los inferiores. Los colores de los puntos indican líneas de corriente .
Campo de presión alrededor de un perfil aerodinámico. Las líneas son isobaras de igual presión a lo largo de su longitud. Las flechas muestran el diferencial de presión de alta (roja) a baja (azul) y, por lo tanto, también la fuerza neta que hace que el aire se acelere en esa dirección.
Comparación de un patrón de flujo sin elevación alrededor de un perfil aerodinámico; y un patrón de flujo ascendente consistente con la condición de Kutta en la que el flujo deja el borde de salida suavemente
Componente de circulación del flujo alrededor de un perfil aerodinámico
Sección transversal de una combinación de cuerpo y ala de avión que muestra las isobaras del flujo de elevación tridimensional
Sección transversal de una combinación de cuerpo y ala de avión que muestra vectores de velocidad del flujo de elevación tridimensional
Cálculo de Euler de un vórtice de punta que sube desde la hoja de vorticidad arrastrada
Vista en planta de un ala que muestra el sistema de vórtice de herradura
Volúmenes de control de diferentes formas que se han utilizado para analizar el balance de momento en el flujo 2D alrededor de un perfil aerodinámico de elevación. Se supone que el perfil aerodinámico ejerce una fuerza hacia abajo -L' por unidad de tramo en el aire, y las proporciones en las que esa fuerza se manifiesta como flujos de cantidad de movimiento y diferencias de presión en el límite exterior se indican para cada forma diferente de volumen de control.
Ilustración de la distribución de la presión superior a la ambiental en el suelo debajo de un avión en vuelo subsónico