Perfil aerodinámico

En aeronáutica se denomina perfil alar, perfil aerodinámico o simplemente perfil, a la forma del área transversal de un elemento, que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a su alrededor una distribución de presiones que genere sustentación.

Es una de las consideraciones más importantes en el diseño de superficies sustentadoras como alas, o de otros cuerpos similares como los álabes de una turbina o compresor, palas de hélices o de rotores en helicópteros y estabilizadores.

Según el propósito que se persiga en el diseño, los perfiles pueden ser más finos o gruesos, curvos o poligonales, simétricos o no, e incluso el perfil puede ir variando a lo largo del ala.

Sin embargo, este concepto no se limita solamente a las aeronaves, ya que todo objeto posee un perfil característico, cuya forma puede:

Al sumergir un cuerpo romo en el seno de una corriente fluida, siempre aparece una fuerza que empuja al cuerpo sumergido. Imaginemos que introducimos verticalmente un tablón de madera en un río. El perfil en este caso será un rectángulo, que es la sección del tablón. Observaremos que la fuerza que arrastra dicho tablón corriente abajo es pequeña cuando enfrentamos la cara más estrecha a la corriente, y el arrastre es grande si enfrentamos a la corriente la cara más ancha. Esta fuerza que empuja en el sentido de la corriente se denomina resistencia o arrastre. Observamos que este arrastre varía conforme giramos el tablón respecto a un eje longitudinal, es decir, conforme variamos el ángulo que forma la sección del tablón con la dirección de la corriente. Ese ángulo se denomina ángulo de ataque.

Cuando la corriente fluida incide sobre el tablón con cierto ángulo de ataque, además de la mencionada fuerza de arrastre, aparece otra fuerza que no tiene la dirección y el sentido de la corriente, sino una dirección perpendicular a ella. Esta fuerza perpendicular al sentido de la corriente, que también depende del ángulo de ataque, se denomina sustentación y puede ser muchas veces mayor que la de resistencia. En aplicaciones en las que deseemos que una corriente fluida "empuje" con la mayor fuerza posible a un sólido, este sólido se diseñará de manera que tenga la forma y el ángulo de ataque adecuados para lograr la máxima sustentación y el menor arrastre posible. La forma del perfil alar influye sustancialmente en las fuerzas de sustentación y arrastre que aparecerán. El tablón del ejemplo, de perfil rectangular, demuestra ser poco eficiente desde el punto de vista aerodinámico, pues los perfiles eficaces normalmente presentan un arrastre mucho menor y una sustentación enorme. Para ello suelen tener redondeada la zona enfrentada a la corriente (borde de ataque), y afilada la zona opuesta (borde de fuga o borde de salida).

Habitualmente las características aerodinámicas de un perfil alar se encuentran sometiendo a ensayo modelos de perfiles en un túnel aerodinámico (también llamado túnel de viento) o en un túnel o canal hidrodinámico. En ellos se miden la sustentación y la resistencia al variar el ángulo de ataque y las condiciones de la corriente fluida (normalmente la velocidad de esta), y se llevan a unas gráficas de características del perfil.

Los primeros modelos de perfiles ensayados en túneles de viento surgieron a partir de secciones de peces congelados. Desde mediados del s. XX se dispone de importantes catálogos publicados que definen la geometría de un perfil y sus curvas aerodinámicas. Durante la Primera Guerra Mundial, los ensayos realizados en Gottingen contribuyeron al diseño de los primeros perfiles modernos, hasta que a partir de la Segunda Guerra Mundial, tomó el relevo en los Estados Unidos el Comité Nacional de Aeronáutica (NACA), antecesor de la actual NASA, que ha desarrollado la mayor parte de los perfiles empleados en la actualidad. Sin embargo, las características aerodinámicas de algunos perfiles empleados en la aviación militar, siguen siendo alto secreto.

Las características geométricas de un perfil tienen un gran impacto en sus características aerodinámicas. Estas se pueden listar como sigue:

1. Radio del borde de ataque.- Define la forma del borde de ataque y es un valor que influye de forma importante en la pérdida. Geométricamente corresponde al radio de un círculo trazado de la siguiente forma:

Su longitud se mide en % del valor de la cuerda, oscilando entre valores:

2. Cuerda (chord).- Corresponde a la línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida. Su valor es una característica particular de cualquier perfil.

3. Línea de curvatura media (mean camber line).- Es una línea equidistante entre el extradós y el intradós. Define la curvatura del perfil de la siguiente manera:

4. Curvatura máxima (maximum camber).- Corresponde a la distancia máxima entre la línea de curvatura media y la cuerda. El valor de su ordenada y la posición de esta ordenada se expresa por lo general en % de la longitud de la cuerda. Un valor típico de esta es 4 % de la cuerda.

5. Espesor (thickness).- El espesor es un segmento trazado desde un punto referencial del perfil. Existen dos maneras de expresar este concepto, como se muestra en la figura:

De estas dos formas resultan dos segmentos de longitudes distintas.

6. Espesor máximo (maximum thickness).- Corresponde a la longitud máxima posible del espesor de un perfil de superficies.

El valor de su ordenada y abscisa como valor de posición, se expresa por lo general en % de la longitud de la cuerda, oscilando entre los siguientes valores:

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