Principios básicos de las hélices cap-2
Principios básicos de las hélices cap-2
Par (torque) y Factor P
Para el piloto, el “torque” (la tendencia de giro del avión a la izquierda) se compone de cuatro elementos que causan o producen una torsión o rotación alrededor de al menos uno de los tres ejes del avión. Estos cuatro elementos son:
- 1. Reacción del par del motor y la hélice,
- 2. Efecto tirabuzón de la estela,
- 3. Efecto giroscópico de la hélice,
- 4. Carga asimétrica de la hélice (Factor P).
Reacción del Torque
La reacción del torque involucra la Tercera Ley de Newton de la física, para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Aplicada a la aeronave, significa que como las partes internas del motor y la hélice están girando en una dirección, una fuerza igual está tratando de hacer girar el avión en la dirección opuesta.
Cuando la aeronave está en vuelo, esta fuerza actúa sobre el eje longitudinal, tendiendo a alabear al avión.
Para compensar la tendencia a rolar, algunos aviones viejos son construidos de una manera de crear una mayor sustentación en el ala que está siendo forzado a bajar. Los aviones más modernos están diseñados con compensación del motor para contrarrestar este efecto de torque.
NOTA: La mayoría de los motores de avión construidos en Estados Unidos giran la hélice hacia la derecha, visto desde el asiento del piloto. La discusión aquí es con referencia a esos motores.
En general, los factores de compensación son establecidos de forma permanente para que compense esta fuerza a velocidad de crucero, ya que la mayoría de la sustentación de operación de la aeronave es a esa velocidad. Sin embargo, los compensadores de alerón permiten un ajuste a otras velocidades.
Cuando las ruedas de la aeronave están en el suelo durante el despegue, se induce por el torque un par motor adicional alrededor del eje vertical. A medida que el lado izquierdo de la aeronave es forzado hacia abajo por la reacción de torque, más peso se coloca en el tren de aterrizaje principal izquierdo. Esto resulta en más fricción del suelo, o resistencia, en la rueda izquierda que la derecha, provocando un momento de giro más a la izquierda. La magnitud de este momento depende de muchas variables. Algunas de estas variables son:
1. Tamaño y potencia del motor,
2. Tamaño de la hélice y las rpm,
3. Tamaño de la aeronave, y
4. Condición de la superficie del suelo.
Este momento de giro en la carrera de despegue es corregido por el piloto mediante el uso adecuado del timón de dirección o compensadores del timón.
Efecto tirabuzón
La alta velocidad de rotación de la hélice de un avión da a la estela una rotación en tirabuzón o espiral. A alta velocidad de la hélice y baja velocidad hacia adelante (como en los despegues y aproximaciones a la pérdida sin potencia), esta rotación en espiral es muy compacta y ejerce una fuerte fuerza lateral en la superficie vertical de la cola de la aeronave.
Cuando esta estela en espiral golpea la deriva se produce un momento de giro en torno al eje vertical de la aeronave. Cuanto más compacta la espiral, más importante es esta fuerza. A medida que aumenta la velocidad de avance, sin embargo, la espiral se alarga y
se vuelve menos eficaz. El flujo en tirabuzón de la estela también produce un momento de giro sobre el eje longitudinal.
Note que este momento de giro causado por el flujo espiral de la estela es a la derecha, mientras que el momento de giro causado por la reacción del par es a la izquierda, en efecto uno puede contrarrestar al otro. Sin embargo, estas fuerzas varían mucho y es responsabilidad del piloto aplicar la acción correctiva adecuada usando los controles de vuelo en todo momento. Estas fuerzas deben ser contrarrestadas con independencia de cuál es la más importante al momento.
Efecto giroscópico
Antes de que los efectos giroscópicos de la hélice se puedan entender, es necesario entender el principio básico de un giroscopio. Todas las aplicaciones prácticas del giroscopio se basan en dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: rigidez en el espacio y la precesión. La que nos interesa para esta discusión es la precesión.
La precesión es la acción resultante, o deflexión, de un rotor que gira cuando se aplica a su borde una fuerza desviadora. Como se puede observar en la siguiente figura, cuando una fuerza es aplicada, la fuerza resultante produce efecto 90 ° por delante y en el sentido de giro.
La hélice de un avión es un giroscopio muy bueno y por lo tanto tiene propiedades similares. Cada vez que se aplica una fuerza para desviar la hélice fuera de su plano de rotación, la fuerza resultante está 90° por delante y en el sentido de giro y en la dirección de aplicación, provocando un momento de cabeceo, un momento de giro, o una combinación de los dos dependiendo del punto en el que se aplica la fuerza.
Este elemento del par motor siempre se ha asociado y se considera más importante en aviones con rueda de cola, y ocurre con mayor frecuencia cuando la cola se levanta durante el despegue.
Este cambio de actitud en cabeceo tiene el mismo efecto que aplicar una fuerza en la parte superior del plano de rotación de la hélice. La fuerza resultante que actúa 90º por delante
produce un momento de giro a la izquierda alrededor del eje vertical. La magnitud de este momento depende de varias variables, una de las cuales es la brusquedad con que se levanta la cola (cantidad de fuerza aplicada).
Sin embargo, la precesión, o efecto giroscópico, ocurre cuando se aplica una fuerza en cualquier punto del borde del plano de rotación de la hélice; la fuerza resultante seguirá estando a 90° del punto de aplicación en el sentido de giro. Dependiendo del lugar donde se aplica la fuerza, el avión es forzado a girar hacia la izquierda o la derecha, a cabecear hacia arriba o hacia abajo, o una combinación de cabeceo y giro.
Se puede decir que, como resultado de la acción giroscópica, cualquier giro alrededor del eje vertical resulta en un momento de cabeceo, y cualquier cabeceo en torno al eje lateral resulta en un momento de giro.
Para corregir el efecto de la acción giroscópica, es necesario que el piloto utilice correctamente el elevador y timón de dirección para evitar giros y cabeceos no deseados.
Carga asimétrica (Factor P)
Cuando un avión está volando con alto AOA, la “mordida” de la pala que se mueve hacia abajo es mayor que la “mordida” de la pala que se mueve hacia arriba. Esto desplaza el centro de empuje a la derecha del área del disco de la hélice, provocando un momento de giro hacia la izquierda alrededor del eje vertical. La prueba de esta explicación es compleja, ya que sería necesario trabajar con problemas del vector viento en cada pala, mientras se tiene en cuenta tanto el AOA de la aeronave y el AOA de cada pala.
Esta carga asimétrica es causada por la velocidad resultante, que se genera por la combinación de la velocidad de la pala de la hélice en su plano de rotación y la velocidad del aire que pasa horizontalmente a través del disco de la hélice. Con la aeronave volando en AOA positivo, la pala derecha (visto desde atrás) o descendente, está pasando por un área de velocidad resultante que es mayor que la que afecta a la pala izquierda o ascendente. Dado que la pala de la hélice es
un perfil aerodinámico, el aumento de velocidad significa mayor sustentación. La pala descendente tiene más sustentación y tiende a tirar (girar) la nariz de la aeronave a la izquierda.
Cuando el avión está volando a un alto AOA, la pala descendente tiene una mayor velocidad resultante, creando más sustentación que la pala ascendente.
Esto puede ser más fácil de visualizar si el eje de la hélice se monta perpendicular al suelo (como un helicóptero).Si no hubiera movimiento de aire alguno, excepto el generado por la propia hélice, secciones idénticas de cada pala tendrían la misma velocidad del aire. Con el aire moviéndose
horizontalmente a través de esta hélice montada verticalmente, la pala moviéndose hacia adelante en el flujo de aire tiene una velocidad superior a la pala que se retira del flujo de aire. Por lo tanto, la pala que avanza hacia el flujo de aire horizontal crea mayor sustentación, o empuje, moviendo el centro de empuje hacia esa pala. Visualice girando el eje de la hélice montada verticalmente a ángulos más bajos en relación con el aire en movimiento (como en un avión). Este empuje desbalanceado se hace proporcionalmente menor y continúa haciéndose más pequeño hasta llegar al valor cero cuando el eje de la hélice está exactamente horizontal en relación con el aire en movimiento.
Los efectos de cada uno de estos cuatro elementos del torque varían en valor con los cambios en las situaciones de vuelo. En una fase de vuelo, uno de estos elementos puede ser más importante que otro. En otra fase del vuelo, otro elemento puede ser más importante. La relación de estos valores con los demás varía con diferentes aviones, dependiendo de la estructura, combinaciones de motor, y hélices, así como otras características de diseño. Para mantener el control positivo de la aeronave en todas las condiciones de vuelo, el piloto debe aplicar los controles de vuelo como sea necesario para compensar estos valores.
Para saber más:
Principios básicos de las hélices cap-1
Bibliografía.
U.S. Department of Transportation
Federal Aviation Administration