Ingeniería

¿Por qué algunos aviones tienen conos de nariz plana y otros no?

Todos los aviones supersónicos tienen conos de morro puntiagudos para reducir la resistencia. Los aviones subsónicos, por otro lado, tienen conos de nariz redondeados.

Entre todas las formas de transporte, es muy difícil igualar la grandeza de un avión. Ni siquiera tus autos deportivos favoritos se acercan a ser tan impresionantes como la máquina voladora. Dentro de sí mismos, los aviones se pueden dividir en vehículos lindos y amigables para el vecindario, o vehículos ingeniosos y malvados con los que preferiría no estar cerca. ¡Alas cargadas con misiles y tanques de combustible, narices puntiagudas e incluso colas que escupen fuego! Los más lindos, por otro lado, son las embarcaciones de pasajeros con narices redondeadas y conos de cola puntiagudos.

¿Por qué los conos de la nariz son afilados en un plano y redondeados en el otro? Profundicemos para obtener algo de claridad.

¿Por qué algunos aviones tienen un morro puntiagudo y otros no?

En pocas palabras, la razón de la diversidad de diseño es la velocidad. Los conos de nariz redonda son deseables para aeronaves destinadas a volar más lento que la velocidad del sonido. Esta es la razón por la cual las aerolíneas comerciales, los aviones privados y los aviones recreativos tienen conos de nariz redonda. Cabe señalar que no todos los aviones militares están destinados a volar a altas velocidades. Esta es la razón por la cual los aviones de transporte, vigilancia y radar aerotransportado también tienen narices redondas.

Tal segregación es sólo psicológica. Después de todo, ¿los aviones medianos no son siempre cazas? En el caso de un avión de combate, la velocidad es esencial. Con la barrera del sonido rota hace mucho tiempo, los aviones de combate que pueden viajar a velocidades supersónicas son omnipresentes. Un cono de nariz más afilado y puntiagudo interrumpe en gran medida la forma en que el aire fluye sobre ellos, lo que les permite alcanzar velocidades tan altas con poca resistencia. ¡No es de extrañar, entonces, que el Concorde, el primer avión comercial del mundo con capacidades supersónicas, tuviera un morro puntiagudo!

¿Cómo afecta el flujo de aire a la geometría del cono de nariz?

El flujo de aire es el aspecto más crítico del diseño de un avión. Ayuda pensar en el aire como un medio fluido viscoso a través del cual vuelan los aviones. Las partículas de aire se oponen al movimiento del avión, un fenómeno conocido como . El arrastre tiene dos componentes: el componente de fricción y el componente de presión. El componente de fricción es lo que hace que el aire se mueva sobre la superficie del ala.

Por otro lado, la forma de la aeronave y sus paneles de carrocería provocan el componente de presión cuando interactúan con el aire. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será la resistencia al vuelo. Esto evita que los aviones vayan a la velocidad prevista, lo que hace que los motores trabajen más y consuman más combustible en el proceso. El cono de la nariz es el primer punto de contacto con el aire cuando toma vuelo. Por lo tanto, ‘corta’ a través de este medio de aire, dando paso al resto del avión.

Conos de nariz redondeados

Las partículas de aire en un punto en particular se apartan del camino de un objeto que vuela a velocidades subsónicas, antes de que llegue a ese punto. A velocidades subsónicas (menos de 0,8 Mach), el componente de presión de las fuerzas de arrastre es 0 para todos los propósitos prácticos. Tener un cono de nariz redondeado facilita el movimiento suave de las partículas de aire sobre y alrededor de él, manteniendo la resistencia al mínimo.

Conos nasales puntiagudos

Las partículas de aire exhiben un comportamiento muy diferente cuando entran en contacto con objetos que viajan a velocidades transónicas o mayores. A tales velocidades, las partículas de aire en cualquier punto tienen poco o ningún tiempo para apartarse antes de que el objeto las alcance. El resultado es una onda de choque, que crea una presión muy alta en el morro del avión y una presión muy baja detrás.

Un objeto atrapado entre una zona de alta presión y una zona de baja presión tiende a moverse hacia la zona de baja presión. De manera similar, los aviones con ondas de choque serían empujados hacia la zona de baja presión, o hacia atrás, durante el vuelo. Las ondas de choque se generan en varios puntos, como el morro, las puntas de las alas y las aletas de cola de un avión. Una reducción en el área superficial de estos reduce la intensidad del choque y, por lo tanto, la resistencia. Esto les permite viajar a velocidades supersónicas, o incluso más altas. Es por eso que los aviones de combate están equipados con conos en la nariz, en comparación con las aerolíneas comerciales.

Una nota sobre la fricción de arrastre a velocidades supersónicas

A velocidades que superan con creces la velocidad del sonido, se hace necesario redondear el cono de la nariz, en lugar de darle la forma de lanza ideal. Esto se llama cono de nariz o amortiguador. Puede ser ligeramente cónico a una sección transversal plana o redondeado a una punta hemisférica.

Esto proporciona varias ventajas, la más importante de las cuales es la disipación de calor. El arrastre por fricción crea temperaturas muy altas, que pueden derretir la punta del cono de la nariz. Al reblandecerse aumenta ligeramente la superficie, sin aumentar la presión, lo que facilita la pérdida de calor. Otras ventajas incluyen la facilidad de fabricación, seguridad de vuelo y manejo, y otras ventajas.

¿Son los conos de nariz redondeados y puntiagudos los únicos perfiles?

Lanzar términos como conos de nariz «redondos» y «descarados» facilita ver la ingeniería y el diseño detrás de ellos. De hecho, la forma de los diferentes conos de morro dadas diferentes velocidades de vuelo está determinada por ecuaciones matemáticas. Estas ecuaciones matemáticas crean una curva que genera un sólido de revolución. La siguiente imagen explica brevemente la solidez de la revolución.

Por lo tanto, las formas de cono de nariz comunes generadas por curvas como parábolas, óvalos, elipses e incluso biconos son sólidos de revolución. Curiosamente, la forma más aerodinámica, un cono perfecto, no es deseable para velocidades supersónicas.

Tradicionalmente, los conos nasales se diseñaban en torno a estas curvas geométricas. Sin embargo, los diseños modernos se basan en ecuaciones matemáticas especiales diseñadas para reducir la resistencia.

La ciencia y la ingeniería del cono de morro no se limitan a las aeronaves. Desempeña un papel clave en el diseño de proyectiles como municiones, misiles, vehículos como submarinos e incluso transbordadores espaciales.

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Cristy

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