LA FÍSICA

INMERSA EN UNA

AERONAVE DE ALAS

GIRATORIAS

LA FÍSICA INMERSA EN UNA AERONAVE

DE ALAS GIRATORIAS

THE PHYSICS IMMERSED IN A ROTARY-

WING AIRCRAFT

J. Bustamante* M. Flórez* J. Polo* B. Narváez* y G. Terán*

Universidad del Atlántico, Barranquilla, Atlántico, Colombia

E-mail: jbr2797@gmail.com

(Recepcionado: Noviembre 10, 2015)

RESUMEN

El artículo presenta la forma en que es elaborado un helicóptero manual a partir de pautas específicas que

fueron seguidas para lograr el objetivo. Esta aeronave de alas giratorias está regida bajo ciertos principios que

hacen posible su funcionamiento. Desde el teorema de Bernoulli, que explica que la deferencia de las

presiones generadas por las hélices, en su parte superior con una velocidad mayor que en la parte inferior,

hacen posible que se produzca una fuerza aerodinámica en la parte donde la corriente de aire fluye con menos

velocidad, porque hay mayor presión, permitiendo así una fuerza de reacción hacia arriba que lo hace

despegar del suelo; Lo anterior, explica cómo este objeto que a pesar que es más pesado que el aire, puede

volar a través de los cielos. De la misma manera, para la construcción del helicóptero, fue indispensable

contar con los materiales adecuados como balzo, debido a que es liviano, motores de una potencia

considerable para intentar hacer que despegue, hélices diseñadas de la mejor forma para que permitan el vuelo

y ruedas ubicadas en la aeronave para darle movimiento y direccionamiento.

Palabras Claves: Helicóptero, Teorema de Bernoulli, Presión, Velocidad, Fluido, Direccionamiento,

Sustentación, Acción, Reacción.

ABSTRACT

The article introduces the way that a handmade helicopter is built by following some specific guidelines in

order to achieve the goal. The rotorcraft is governed under some principles that enable its operation. The

Bernoulli's theorem is one of them. This explains how an aerodynamic force is produced in the lower part of a

propeller due to the air stream that flows with a lower speed and has a higher pressure than the one that is

generated in the upper part. It is impressive to know that even though a helicopter is heavier than the air, it

can fly through the heavens. Similarly, for the construction of the helicopter, it was important the appropriate

materials as balzo, due to its characteristic of being a light material, considerable power engines that allow the

helicopter takes off the ground, well designed propellers to allow the flight and wheels located on the aircraft

to give movement and addressing.

Key Words: Helicopter, Bernoulli's theorem, pressure, velocity, fluid, Addressing, Sustainability, action,

reaction.

INTRODUCCIÓN

Este artículo revisa teniendo en cuenta estudios

previos presentados, la capacidad que tienen las

aeronaves para volar, específicamente las de alas

giratorias como lo son los helicópteros,

considerando como fundamento teórico los

principios aerodinámicos, los cuales nos

permitirán entender más formalmente el tema en

mención. El motivo principal de la investigación

radica en la aplicación de conceptos físicos en

eventos de la vida común, como el vuelo de un

helicóptero.

La palabra «helicóptero» deriva del término

francés hélicoptère, acuñado por el pionero de la

aviación Gustave Ponton d'Amécourt en 1863 a

partir de las palabra griega ελικόπτερος,

helix/helik- (hélice) y pteron (ala). Un helicóptero

es una aeronave que es sustentada y propulsada

por uno o más rotores horizontales, cada uno

formado por dos o más palas. En un avión, las alas

se encargan de la sustentación, mientras que la

hélice aporta la tracción. En un helicóptero, el

mismo componente genera tanto la sustentación

como la tracción: las palas del rotor principal. El

área circular definida por la rotación de las palas

se llama "disco del rotor”. Es decir, el disco del

rotor empuja el aire hacia abajo y el helicóptero

asciende. La física aplicada a el vuelo de un

helicóptero es bastante amplia, sin embargo es

preciso señalar que específicamente en el vuelo de

estos, se aplican fuerzas como la de sustentación

que es la principal para el vuelo, además del

principio de Bernoulli por implicar el movimiento

de fluidos, principio de Venturi y la tercera ley de

Newton: Acción y reacción, como temas

neurálgicos a saber del tópico tratado.

Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un

diseño determinado para aprovechar al máximo

las fuerzas que se originan por la variación de

velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en

una corriente de aire, por ejemplo un ala.

En el movimiento del helicóptero, la hélice

produce un flujo de aire en proporción a su ángulo

de ataque (a mayor ángulo de ataque mayor es el

estrechamiento en la parte superior de la hélice) y

a la velocidad con que el ala se mueve respecto a

la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire,

el que discurre por la parte superior del perfil

tendrá una velocidad mayor (efecto Venturi) que

el que discurre por la parte inferior. Esa mayor

velocidad implica menor presión (teorema de

Bernoulli).

Tenemos pues que la superficie superior del ala

soporta menos presión que la superficie inferior.

Esta diferencia de presiones produce una fuerza

aerodinámica que empuja a la hélice de la zona de

mayor presión (abajo) a la zona de menor presión

(arriba), conforme a la Tercera Ley del

Movimiento de Newton.

Pero además, la corriente de aire que fluye a

mayor velocidad por encima del ala, al confluir

con la que fluye por debajo lleva a esta última

hacia abajo, produciéndose una fuerza de reacción

adicional hacia arriba. La suma de estas dos

fuerzas es lo que se conoce por fuerza de

sustentación, que es la fuerza generada sobre un

cuerpo que se desplaza a través de un fluido, de

dirección perpendicular a la de la velocidad de la

corriente incidente.

Los teoremas principales que ayudan a dar

respuesta a la pregunta “¿Cómo vuela un

helicóptero?, se enuncian como sigue:

*Figura 1. Daniel Bernoulli, un matemático, estadístico, físico y médico holandés-suizo.

Figura 1.

"La presión interna de un fluido (líquido o gas)

decrece en la medida que la velocidad del fluido

se incrementa", o dicho de otra forma, en un

fluido en movimiento, la suma de la presión y la

velocidad en un punto cualquiera permanece

constante”.

Su expresión es:

En la ecuación de Bernoulli intervienen los

parámetros siguientes:

: Es la presión estática a la que está

sometido el fluido, debida a las

moléculas que lo rodean

: Densidad del fluido.

: Velocidad de flujo del fluido.

: Valor de la aceleración de la

gravedad (en la superficie de la Tierra).

: Altura sobre un nivel de referencia.

Un fluido se caracteriza por carecer de elasticidad

de forma, es decir, adopta la forma del recipiente

que lo contiene, esto se debe a que las moléculas

de los fluidos no están rígidamente unidas, como

en el caso de los sólidos. Para llegar a la ecuación

de Bernoulli se han de hacer ciertas suposiciones

que limitan el nivel de aplicabilidad:

El fluido se mueve en un régimen

estacionario, es decir, la velocidad del

flujo en un punto no varía con el tiempo.

Se desprecia la viscosidad del fluido (que

es una fuerza de rozamiento interna).

Se considera que el líquido está bajo la

acción del campo gravitatorio

únicamente.

De manera paralela, si el caudal de un fluido es

constante pero la sección disminuye,

necesariamente la velocidad aumenta tras

atravesar esta sección. Por el teorema de la

conservación de la energía mecánica, si la energía

cinética aumenta, la energía determinada por el

valor de la presión disminuye forzosamente.

La expresión matemática que rige este principio

es:

Dónde:

= velocidad del fluido en la sección

considerada.

= aceleración gravitatoria, g ≈ 9,81

m/s2.

= presión en cada punto de la línea de

corriente.

es el peso específico ( ). Este

valor se asume constante a lo largo del

recorrido cuando se trata de un fluido

incompresible.

= altura, en vertical, sobre una cota de

referencia.

Ahora bien, un aeroplano, como cualquier otro

objeto, se mantiene estático en el suelo debido a la

acción de dos fuerzas: su peso, debido a la

gravedad, que lo mantiene en el suelo, y la inercia

o resistencia al avance que lo mantiene parado.

Para que este aeroplano vuele será necesario

contrarrestar el efecto de estas dos fuerzas

negativas, peso y resistencia, mediante otras dos

fuerzas positivas de sentido contrario,

sustentación y empuje respectivamente. Así, el

empuje ha de superar la resistencia que opone el

avión a avanzar, y la sustentación superar el peso

del avión para ascender y mantenerse en el aire.

Las hélices de un helicóptero, tienen una forma

similar a las alas de un avión, es decir, curvadas

formando una elevación en la parte superior, y

lisas o incluso algo cóncavas en la parte inferior

(perfil alar). Al girar el rotor esta forma hace que

se genere sustentación, la cual eleva al

helicóptero. La velocidad del rotor principal es

constante, y lo que hace que un helicóptero

ascienda o descienda es la variación en el ángulo

de ataque que se da a las hélices del rotor: a mayor

inclinación, mayor sustentación y viceversa.

Una vez en el aire, un helicóptero tiende a dar

vueltas sobre su eje vertical en sentido opuesto al

giro del rotor principal. Para evitar que esto

ocurra, salvo que el piloto lo quiera, los

helicópteros disponen en un lado de su parte

posterior de una hélice más pequeña, denominada

rotor de cola, dispuesta verticalmente, que

compensa con su empuje la tendencia a girar del

aparato y lo mantiene en una misma orientación.

Hay helicópteros que no tienen rotor de cola

vertical, sino dos grandes rotores horizontales. En

este caso, los rotores giran en direcciones opuestas

y no se necesita el efecto "antipar" del rotor de

cola como en los helicópteros de un solo rotor.

El rotor principal no sólo sirve para mantener el

helicóptero en el aire (estacionario), así como para

elevarlo o descender, sino también para

impulsarlo hacia adelante o hacia atrás, hacia los

lados o en cualquier otra dirección. Esto se

consigue mediante un mecanismo complejo que

hace variar el ángulo de incidencia (inclinación)

de las palas del rotor principal dependiendo de su

posición.

Imaginemos un rotor, que gira a la derecha con

velocidad constante. Si todas las palas tienen el

mismo ángulo de incidencia (30º por ejemplo), el

helicóptero empieza a subir hasta que se queda en

estacionario. Las palas tienen durante todo el

recorrido de los 360º, el mismo ángulo y el

helicóptero se mantiene en el mismo sitio.

El objetivo del presente trabajo es la

experimentación de los fenómenos físicos de

mecánica de fluidos y movimiento circular

uniforme en el vuelo de un helicóptero;

estudiando así la física de estos aparatos se espera

construir un helicóptero casero, con los materiales

idóneos para lograr su vuelo y estabilidad en el

aire y por consiguiente comprobar de cerca todas

las teorías expuestas que explican cómo se ha

logrado el vuelo y control de estas máquinas.

METODOLOGÍA

Para la construcción del helicóptero fue necesario

contar con los siguientes materiales:

1. Madera de balzo

2. Baterías de 9,0 V

3. Motores de 8,0V y 3,0V

4. Silicona líquida

5. Cinta aislante

6. Cables

7. Pinzas

8. Pintura

9. Encendedor

10. Exacto

11. Ruedas

Figura 2.

Figura 3.

Se trabajó con madera de balzo para facilitar así

su manipulación y poder pegar las piezas del

aparato de manera más simple, y así mismo

pensando en el poco peso del helicóptero. Se

cortaron pedazos de madera con las siguientes

dimensiones; para la base, un pedazo rectangular

de 6 cm por 8 cm; la cola de este, de 14cm por 2

cm, un techo rectangular de 6cm por 5cm, bases

*Figura 2. Helicóptero No.1

*Figura 3. Helicóptero No.2

para sostenerse en el suelo de 10 cm por 2 cm que

son llamadas patín de aterrizaje, 4 pedazos de

madera como las patas del patín, de 4 cm por 5

mm de espesor, y, 4 piezas de madera de 5 cm por

1 cm que son pegadas desde la base hasta el techo

para conformar la cabina del helicóptero, que

finalmente sirve como alojamiento para el

circuito, baterías y motor.

La primera etapa del proceso consistió en pegar

con silicona caliente y liquida (dependiendo de la

fortaleza necesaria para las uniones), las piezas del

helicóptero y armarlo. Luego, una vez tenido el

esqueleto en base de madera, se le adjuntó un

mini-motor de 12V, para el helicóptero No.1, en la

parte superior, de la cabina. Para la segunda

aeronave además, se le añadieron, otros dos

motores en la denominada cola del helicóptero y,

ruedas para su desplazamiento en el suelo. Fue

necesario establecer una conexión en paralelo,

mediante 3 baterías de 9V, para que los motores

realicen su trabajo de manera conjunta y en el

mismo sentido. La función de los motores fue,

darle movilidad y direccionamiento al helicóptero

y como último fin, permitir que vuele. Lo que para

ello, se colocaron hélices de 15 cm x 3 cm para

hacer que despegue del suelo.

RESULTADOS

Tabla 1.

Lastimosamente, para nuestra experiencia en la

realización de nuestros helicópteros, no tuvimos

fortuna en cuanto al objetivo principal, el cual era

hacer volar esta aeronave.

Sin embargo, no fue precisamente por falla

nuestra, durante el desarrollo, se tenía planeado la

realización de un helicóptero, el cual comenzamos

con los distintos materiales ya mencionados, para

armar lo correspondiente al esqueleto. Sin

embargo, al momento del montaje del motor y las

hélices, debimos realizar un gran número de

experimentos, con distintas clases de estos dos

objetos, trascendentales para el funcionamiento

del helicóptero.

Al final, decidimos el balzo como material

definitivo para las hélices y un motor de 12V para

impulsarlas, debido a que de manera experimental

nos brindó las mejores sensaciones en cuanto a

estabilidad y equilibrio para nuestro helicóptero.

Además de eso, nos preocupamos, mucho en los

ángulos entre cada una de las hélices, como se

daría, en un helicóptero real, para que volara.

Nuestra hipótesis, es que motores de un tamaño

tan pequeño, no son capaces de generar la

suficiente potencia, para que la hélice gira a tal

velocidad, que logre que el helicóptero se eleve.

Consideramos usar motores y baterías de mayor

voltaje, pero estas incrementaban más de 3 veces,

el tamaño en el que debíamos construir el

helicóptero. Mediante la presentación de este, nos

limitamos a explicar de manera detallada, los

cómo y los porqués, nuestro helicóptero, no

consiguió volar y porque uno real si lo hace.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

En conclusión, la construcción del helicóptero

implicó la importancia de conocer el

comportamiento de fluidos en movimiento como

es el caso del aire cuando una aeronave vuela en

este medio, además se tuvo presente la forma

que debían tener las hélices del helicóptero para

lograr su desplazamiento vertical como

horizontal, como también las dimensiones de

cada parte del helicóptero, de tal manera que

fueran lo suficientemente ligeras como para que

HÉLICE MOTOR VUELO

Plástico 3.0V NO

Balzo 3.0V NO

Cartón 3.0V NO

Lata 3.0V NO

Plástico 8.0V NO

Balzo 8.0V NO

Cartón 8.0V NO

Lata 8.0V NO

Plástico 12.0V NO

Balzo 12.0V NO

Cartón 12.0V NO

Lata 12.0V NO

*Tabla 1. Correspondiente experimentos realizados con distintas hélices y motores

su peso fuera menor la fuerza de sustentación y

pudiese volar con los motores de la potencia

indicada que se suministraron.

La experiencia fue referenciada en diversos

ensayos desarrollos por personas del común,

quienes quisieron ser partícipes directos de la

construcción de una aeronave de alas giratorias

que volara, cuyos trabajos fueron expuestos por

medios audiovisuales. El proyecto en cuestión

demandó mucho ensayo y error, puesto que no

era fácil conseguir el modelo aerodinámico

perfecto que permitiese alcanza las expectativas

iniciales. Este tipo de actividades es viable que

se lleven a cabo teniendo una preparación previa

teórica, para luego usando básicos conocimientos

de electricidad establecer el movimiento mismo

del helicóptero.

La citación de todos los conceptos físicos del

presente documento, se hizo de vital importancia

para el entendimiento del vuelo de un helicóptero,

debido a que con base en ello, se logró tener una

visión holística de tema y pasar a la construcción

del aparato con mayor precisión.

Indiscutiblemente puede resultar inverosímil creer

que algo más pesado que el aire pueda volar y más

un en el caso del helicóptero mantenerse estable

en el aire con el giro sobre sí mismo de sus

hélices, sin embargo es notable cómo la física de

estos aparatos es tan perfecta y el avance mismo

del conocimiento humano, que ya no solo

podemos volarlos sino jugar y dominar el mundo

con ellos.

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- F.W. Sears, M.W. Zemansky, H.D.

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M. I. (2004), Elaboración de un artículo

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