Ciencia para volantes modelo

Aunque no es un requisito previo obligatorio, es posible que desee leer la primera Parte I de esta serie, La tabla periódica, antes de continuar con la próxima entrega. — Ed.

Ahora volvemos la atención a las fuerzas y la inercia. Si alguien piensa que estas ideas son un poco abstractas, muchas de ellas se utilizarán en futuros artículos sobre estructuras y máquinas. Considere este artículo como un buen requisito previo para los próximos artículos de esta serie.

Efectivo

¿Qué es una fuerza? Este no es el lugar para hablar sobre los orígenes de la fuerza, por ejemplo, la curvatura del espacio-tiempo que resulta en la fuerza aparente de la gravedad. Atengámonos al significado cotidiano, es decir, un empujón o un tirón. Como verá, una fuerza puede cambiar el movimiento hacia adelante de un objeto o la dirección de ese movimiento y dos fuerzas también pueden cambiar su movimiento de rotación o su forma e incluso pueden romperlo.

Los físicos como yo podemos tener una extraña visión del mundo. Como siempre, hay una palabra alemana para ello: weltanshauung o 'visión del mundo'. Si observo a alguien reclinándose en una silla, me imagino la fuerza de su peso actuando a través de su centro de gravedad. Sé que cuando está más atrás que el punto de pivote de las patas traseras de la silla, se caerá hacia atrás (Imagen 1). Una persona normal simplemente disfrutará de la vista sin pensar en ello. Por supuesto que también me río, pero sé por qué sucedió. De la misma manera imagino las fuerzas sobre modelos.

Fuerzas relevantes para el modelo de vuelo

Esta sería una lista larga si estuviera completa. Aquí están algunas:

• Las fuerzas aerodinámicas de sustentación y arrastre, siendo la primera creada por la presión.
• Las fuerzas mecánicas de peso y empuje.
• La resistencia o inercia de un modelo a la aceleración o giro, que es una especie de fuerza virtual.
• Fuerzas rotacionales llamadas torque o momento.
• El par desarrollado por nuestros motores y motores.
• Ángulo de planeo, que está determinado por la relación entre el peso y las fuerzas de arrastre.
• El efecto reducido de una fuerza en un ángulo.
• Empuje de nuestras hélices creado al acelerar el aire y experimentar la fuerza de reacción de este.
• Empuje vectorial de los motores a reacción que permite una gran maniobrabilidad.

Al leer los ejemplos prácticos de este artículo, hay una cosa importante que debe recordar. Cuando volamos no pensamos en cómo mover los palos. Hemos entrenado nuestros músculos para hacer lo que se necesita sin pensar. Como tocar el piano, si tuviéramos que pensar qué hacer sería demasiado tarde. Así que podrías pensar, 'No creo que haga lo que describes', pero lo haces.

Masa y Peso

En lenguaje normal, masa y peso significan casi lo mismo. En ciencia son muy diferentes. La masa de algo es el total de todos los átomos de los que está hecho, es decir, los protones, neutrones, electrones y otras partículas que componen los átomos como se describe en el artículo de la tabla periódica del mes pasado. Un objeto tiene la misma masa en todo el universo, hasta donde sabemos.

El peso es el tirón de un objeto de otro objeto. Depende de cuántos kilogramos pesa cada objeto ( m ₁ y m ₁ ) y qué tan separados están ( d ). En matemáticas es:

F es proporcional a m ₁ · m ₂ / d ²

Para encontrar F en newton se multiplica por la constante gravitacional G (6.674×10⁻ ¹¹ )

F = GRAMO × metro ₁ × metro ₂ / re ²

Mientras escribía eso, pensé: 'Nunca has hecho las sumas de la tierra'. La tierra no es uniformemente densa por lo que no saldrá exactamente bien. De todos modos aquí va:

m ₁ = 1 kg

m ₂ = 5,9722 × 10²⁴kg (masa de la tierra)

G = 6,674 × 10⁻ ¹¹

d = 6,36 x 10⁶km (radio medio de la tierra)

W = 6,674 × 10⁻ ¹¹ × 5,9722 × 10²⁴ / (6,36 × 10⁶)²

Sumando las potencias de diez (-11 +24 -6 -6) da 10 ¹

Multiplicando y dividiendo el resto: 6,674 × 5,9722 / (6,36 × 6,36) = 0,98539

¡Guau!

En otras palabras, 9,85 o 10 en nuestra aproximación práctica. La diferencia con el valor medio medido de 9,81 se debe sin duda al aumento de la densidad de la tierra con la profundidad.

Nuestro propio peso es el resultado de la gravedad de la tierra. Es menor en algunos lugares que en otros. Se vuelve menos a medida que nos alejamos de la tierra. Está más cerca de los polos porque la tierra es ligeramente aplanada y estamos más cerca del centro de la tierra. En el espacio parece ser cero porque el resto del universo nos atrae por igual en todas las direcciones. En la luna pesamos menos porque la luna tiene menos masa y nos atrae menos a pesar de su radio más pequeño. Si estamos orbitando la tierra, estamos en caída libre, por lo que parecemos ingrávidos. Describir a alguien con sobrepeso no tiene sentido científico. Lleva a una persona a la luna y pesará menos. En Neptuno mucho más. En el espacio nada. Para un científico, el término correcto es "demasiado masivo".

Masivo es una palabra de la que a menudo se abusa, por lo general, cuando se interpreta que significa grande. El pobre viejo inglés está recibiendo una paliza en este momento. Ahora se entiende que el crecimiento exponencial significa un rápido aumento. Lo que realmente significa es que aumenta a un ritmo creciente. Aunque nuestros ahorros aumentan exponencialmente con el interés compuesto, con las tasas de interés actuales que son muy lentas, eso parece estar cambiando. Otra palabra de la que se abusa es diezmar, que ahora significa destruir casi por completo. De hecho, era todo lo contrario: un método utilizado por los comandantes romanos para disciplinar a una legión rebelde. Los soldados se alinearon y uno de cada diez hombres de la fila fue asesinado con una espada 'para animar a los demás'. No tiene sentido matar a todos tus soldados por amotinarse, solo una décima parte. Nadie parece cuestionar el uso de 'deci'.

Espacio de Higgs

Nuestras ideas sobre la masa se están desarrollando muy rápidamente. Algunos físicos ahora sugieren que el espacio debería llamarse Espacio de Higgs. ¡Sí, sí, bosón! Uno sugirió que pensemos en el espacio como un campo de nieve, lo cual es una analogía o modelo que era nuevo para mí. Aunque está hecho de copos de nieve, visto desde la distancia parece suave. Si esquiamos nos movemos a toda velocidad sin roces. Así es como la luz y otras ondas/partículas de muy baja masa se mueven a la velocidad de la luz. Si nos ponemos raquetas de nieve nos cuesta más movernos. Que es como una pequeña masa. Con solo las botas puestas, el movimiento es mucho más difícil. Esta es una masa más grande con mucha inercia. El espacio contraataca. Si golpeamos dos partículas pesadas juntas en un acelerador, a veces hacen que salga volando una parte del espacio de Higgs, el famoso bosón de Higgs. Mira ese emocionante espacio. Esto podría significar que todas las fuerzas, incluida la gravedad, finalmente se explican en una sola cosa. O no.

La masa y el peso son diferentes de otra manera. La misa está ahí. Sólo tiene cantidad o magnitud. No actúa en ninguna dirección. Los científicos llaman a eso una cantidad escalar. Otros ejemplos son la temperatura y la energía. El peso tira en una dirección particular. Por lo que tiene dos dimensiones, magnitud y dirección. Eso lo convierte en una cantidad vectorial. Otra confusión cotidiana es usar kilogramo tanto para masa como para peso. Normalmente no importa mucho pero para que quede claro de lo que estamos hablando deberíamos usar el newton (N) como unidad de fuerza. Para dar una idea de su tamaño, cerca de la tierra un kilogramo pesa alrededor de 10N por lo que una manzana mediana es un newton. Teniendo en cuenta la inspiración málica de Isaac, es un buen toque, ¿no? En unidades antiguas, la masa sería libra y la fuerza sería poundal, con una libra cerca de la tierra que pesaba alrededor de 32 poundals.g o y se llama aceleración de la gravedad. Una masa que cae acelera a 10 m/s² o 32 pies/s².

La ecuación para el peso W es W = m × g ( g es aproximadamente 10 como calculamos anteriormente).

Ahora veamos qué tipos de fuerza hay y qué pueden hacer.

Fuerzas estáticas

Las fuerzas sobre una estructura fija, como una casa o un puente, deben equilibrarse o la estructura se movería. Estas se llaman fuerzas estáticas. Para una estructura grande que se encuentra sobre el suelo, las fuerzas hacia arriba deben actuar juntas para equilibrar su peso. Estas estructuras suelen estar hechas de muchos componentes, cada uno de los cuales lleva parte de la carga. Algunas partes son verticales, algunas en ángulo y otras horizontales. El último no cargará peso pero mantendrá unidos otros componentes que sí lo hacen.

Incluso en física preuniversitaria, los estudiantes aprenden a calcular las fuerzas en cada parte de una estructura. Exactamente el mismo análisis se puede hacer en nuestro modelo de avión como verá en un próximo artículo sobre estructuras.

Fuerzas Dinámicas

Estos causan cambios en el movimiento. La primera ley del movimiento de Newton nos dice que una masa continúa en línea recta con velocidad constante a menos que una fuerza actúe sobre ella. Tendremos que entender eso cuando consideremos un planeador que vuela cuesta abajo a velocidad constante.

Fuerzas en un ángulo

Una idea que necesitamos ahora es la resolución de fuerzas. La fuerza es una cantidad vectorial, lo que significa que tiene tamaño (magnitud) y dirección. Sabemos intuitivamente que obtenemos el mejor efecto si empujamos o tiramos de algo exactamente en la dirección en la que se puede mover libremente. Una fuerza en un ángulo tiene menos efecto. Resolución significa encontrar el efecto de un vector, como una fuerza, en un ángulo.

La imagen 2 nos muestra un objeto que es atraído por una fuerza en un ángulo A con respecto a su dirección de desplazamiento. El efecto de la fuerza se llama componente y es igual a F × cos A . Si A es cero grados, entonces cos A es 1 y toda la fuerza moverá el objeto. Si A es de 90 grados, entonces cos A es cero y el objeto no sentirá ninguna fuerza hacia adelante.

Aquí hay una tabla del efecto del ángulo en una fuerza:

Como puede ver, se necesitan ángulos grandes para hacer mucha diferencia.

¿Qué es cosA?

Se debe a la temida trigonometría. ¡Despierta en la parte de atrás!

La teoría se muestra en el rectángulo de la Imagen 3, que modela el ejemplo anterior. Hay dos triángulos rectángulos. La fuerza aplicada F es la hipotenusa diagonal.

Podemos calcular los tamaños de las fuerzas verticales y horizontales a partir de la trigonometría en el triángulo inferior. Adyacente está el lado al lado del ángulo. El opuesto es el lado más alejado del ángulo.

Horizontalmente :

• Coseno = adyacente / hipotenusa
• Entonces adyacente = coseno × hipotenusa o F × cos A
• En el caso anterior, este es el componente que acelera el objeto.

• Seno = opuesto / hipotenusa
• Entonces opuesto = coseno × hipotenusa o F × sen A
• En lo anterior, este componente que no tiene efecto sobre el objeto.

Ejemplos prácticos

Bungee (Hi-Start) o cabrestante

A medida que suelta el modelo, el ángulo de bungee es prácticamente cero, por lo que la aceleración es rápida. Inmediatamente el morro sube, el ángulo aumenta dramáticamente al igual que la resistencia. Todos estamos familiarizados con el trabajo de palanca necesario para mantener tanto la velocidad de ascenso como la de avance. Algunas imágenes web muestran el bungee en ángulo recto con el modelo en la escalada, a diferencia de la Imagen 4. Ahora sabemos que esto no puede producir ninguna fuerza hacia adelante. Solo si está cerca de la altura y listo para dejar caer la línea, el viento predominante podría proporcionar velocidad aerodinámica y sustentación.

Filo del cuchillo

Esta es una maniobra que es para el modelo de potencia. Aquí alteramos efectivamente la línea de empuje para que haya un componente de empuje hacia arriba. Si bien es cierto que puede haber una pequeña fuerza de sustentación de la aleta o un fuselaje plano, es principalmente el cambio en la línea de empuje lo que mantiene la altura, como puede ver en la imagen de la derecha en la Imagen 5.

dando vueltas

Cuando un modelo se inclina y gira debido a los alerones, hay un componente de sustentación que actúa hacia el centro del círculo de giro, como se muestra en la Imagen 6. Esta fuerza empuja al modelo hacia los lados. Cuanto más inclinado sea el banco, mayor será el porcentaje del ascensor empujando hacia los lados. Ahora hay un componente de elevación más pequeño para sostener el modelo, por lo que instintivamente aplicamos un elevador para que el modelo no pierda altura.

Ángulo de inmersión

Un planeador siempre está buceando. De ahí viene su energía. En su mayoría, el ángulo de picado es pequeño, lo suficiente para superar la resistencia, por lo que la primera ley de Newton nos dice que no cambiará de velocidad. Con suerte, el aire por el que se sumerge se está moviendo hacia arriba. Cuando queremos ganar velocidad, hacemos un picado más pronunciado como en la Imagen 7. Esto aumenta el componente delantero del peso. El excedente de fuerza de avance sobre la resistencia ahora acelera el modelo.

Combinando Fuerzas

La Imagen 8 muestra una variación del diagrama de la Imagen 3. En este caso, el objeto puede moverse libremente en cualquier dirección y, en lugar de dividir la fuerza en dos componentes, dos fuerzas lo jalan. Sin embargo, no están en ángulo recto entre sí, aunque podrían estarlo. En lugar de un rectángulo dibujamos un paralelogramo. Los dos componentes en negro actúan juntos para producir una fuerza combinada resultante que se muestra en rojo.

Si dibujamos los dos a escala, por ejemplo, 10 mm: 10 N, como los lados de un paralelogramo que encierran el ángulo entre ellos, la línea de esquina a esquina da la magnitud y la dirección de la fuerza resultante combinada. Puede encontrar la longitud y el ángulo de esta línea ya sea por cálculo o escalando el dibujo.

Ejemplos prácticos de fuerzas resultantes

Pendiente poligonal

Un ejemplo sería un planeador que atraviesa una pendiente. Además del movimiento hacia adelante debido al peso, habría una fuerza de viento en la pendiente. Al atravesar, el modelo se movería hacia la pendiente y eso lo corregimos, sin tener que pensarlo, con timón o alerones.

Bungee o Hi-Start con viento lateral

No, normalmente no harías puenting con viento lateral. Sin embargo, algunos sitios de vuelo solo tienen dos direcciones de lanzamiento, siendo el mío un ejemplo. El viento nunca sopla exactamente a lo largo de la pista y los campos circundantes no están sembrados de hierba.

Entrenamiento de caja de amigos

Hago un poco de eso. Las tomas de control más comunes son cuando el modelo se aleja demasiado a favor del viento porque el piloto en formación no tiene la experiencia para corregir el viento. Un segundo cercano es el problema con los vientos laterales al aterrizar ya que, por seguridad, el instructor no debe permitir que el modelo se eleve por encima de la cabeza ni se desvíe de la pista.

Fuerzas en una pendiente

La imagen 9 muestra que el peso del bloque es masa por gravedad ( m × G ). Recuerda que cerca de la tierra g es aproximadamente 10 por lo que un kilogramo pesa 10N. El componente de mg hacia abajo de la pendiente es el peso multiplicado por el seno del ángulo de la pendiente, por lo tanto, mg sen θ . Usaremos esta idea en un experimento más adelante.

¿Importancia para nosotros?

Una pendiente, también llamada plano inclinado, se usa en muchas máquinas simples, como una cuña y una rosca de tornillo. Estos serán tratados en un artículo futuro. Y, por supuesto, un planeador que baja su ángulo de planeo es otro ejemplo. La ecuación anterior mg sin θ también se aplica aquí, aunque en este caso es igual y opuesta al arrastre. Un planeador de alto rendimiento puede tener un ángulo de planeo de 2º, aproximadamente 1:30. El componente delantero del peso y la resistencia serán alrededor del 3,5% de su peso.

Cambio de movimiento

Una sola fuerza puede causar un cambio en la velocidad (velocidad y/o dirección), aunque hay una segunda fuerza reactiva del objeto llamada inercia. Más sobre eso más adelante. La ecuación relevante para el movimiento es la Segunda Ley de Newton, F = m × a . Observe la similitud con F = m × g . Adelante, tú lo resuelves. La clave es 'aceleración debida a la gravedad'.

Cambio de forma

Dos fuerzas pueden causar un cambio de forma. Un ejemplo es un lanzamiento de bungee (hi-start). La clavija en el suelo tira de un extremo del bungee y la persona que lanza tira del anillo o modelo en el otro extremo. El resultado es que el bungee cambia de forma. Se vuelve más largo y más delgado. Mover una fuerza se llama trabajo y requiere energía. La energía (trabajo realizado) es fuerza por distancia. Cuanto más camine con el modelo, más energía almacenará en el bungee y más alto se debe levantar el modelo, a menos que haga un lío al controlar la escalada.

Para calcular el cambio de forma, necesitamos saber qué tan flexible es el objeto, llamado elasticidad. La ecuación más simple aquí es la Ley de Hooke, que describe la extensión de un objeto elástico con una carga creciente. Entonces, la extensión es proporcional a la fuerza o una de dos fuerzas opuestas para ser exactos.

Ley de Hooke: Extensión = Fuerza / rigidez

Hooke también dijo que si lo estira más allá de cierto punto llamado límite elástico, parte del estiramiento será permanente. Las moléculas se han reorganizado. Por eso cuando sueltas un globo no vuelve a su tamaño original.

Rotación

Dos fuerzas iguales y opuestas se anulan si están alineadas. Pueden causar rotación si no están alineados, es decir si hay distancia entre sus líneas de acción. A este efecto de giro lo llamamos torque o momento de fuerza. El torque se encuentra multiplicando una fuerza por la separación perpendicular como se muestra en la Imagen 10.

Cuando la segunda fuerza está bien separada de la primera, solemos llamarla momento en lugar de momento de torsión.

La unidad de torque o momento tiene dos partes, una fuerza y ​​una distancia vertical separadas. Las unidades de medida que tienen más de un componente se denominan unidades derivadas. En el caso del par, la unidad derivada es metro newton (mN). De hecho, en un libro de texto verás esto escrito Nm. No me gusta esto, ya que puede confundirse con el trabajo realizado, que es fuerza por distancia (Nm). Sin embargo, me rindo porque es la forma aceptada y mN puede significar milinewton. En las unidades antiguas, esto será pie-libra o, más correctamente, pie-libra, donde hay 32 libras de fuerza actuando sobre una libra de masa cerca de la tierra.

Las cosas son un poco más complicadas cuando las dos fuerzas están en ángulo con respecto a la cosa que están girando. Aquí tenemos que encontrar su separación perpendicular D, no qué tan separados están en el objeto. Como se muestra en la Imagen 11 Torque = F × D

Otra complicación es cuando una fuerza de aceleración es mayor que la otra. ¿Qué sucede en el caso de la Imagen 12 que muestra un avión bimotor en el que un motor funciona mal y produce menos empuje? Las fuerzas harán girar la aeronave con un par basado en la diferencia de fuerzas. La guiñada resultaría de la diferencia en los momentos de los dos empujes sobre la línea central CL, por lo que necesitaría una corrección del timón. Al mismo tiempo, la aeronave se moverá o acelerará en función de la suma de las fuerzas.

Ejemplos de torque en modelos de aviones

Efecto de rotación de un motor y un motor

Al observar las geometrías de los motores de combustión interna (IC) y los motores eléctricos, puede ver claramente por qué estos últimos funcionan con mayor suavidad.

¿Recuerdas este diagrama de un motor outrunner (Imagen 13)? He agregado flechas oscuras para mostrar la fuerza de cada bobina. Observe que están en una tangente a la caja del motor. En un diseño de motor práctico con muchas bobinas, también serán bastante constantes y, de todos modos, la carcasa actuará como un volante.

Por otro lado, en las Imágenes 14 y 15 hay un motor IC. El pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo y el cigüeñal gira. La biela y la manivela circular, que fue una brillante invención victoriana, convierte el movimiento lineal en rotación, pero la fuerza que ejerce varía con el ángulo de la biela. Por lo tanto, no solo el pistón y la biela invierten continuamente la dirección, sino que el par producido varía de cero a un máximo. Además, la carrera de potencia es solo la mitad del tiempo para un motor de dos tiempos y una cuarta parte para un motor de cuatro tiempos.

La imagen 14 a la izquierda muestra el pistón en el punto muerto superior. La fuerza hacia abajo de la biela se opone exactamente al empuje hacia atrás del pasador en el cigüeñal. Por lo tanto, no hay par. En la Imagen 15 a la derecha, el cigüeñal ha girado un poco, inicialmente porque su impulso lo arrastra. Ahora hay una distancia perpendicular entre las fuerzas de la biela y el centro del cigüeñal y, por lo tanto, hay un par. Sin embargo, la biela forma un ángulo con la fuerza del pistón, por lo que la componente de la fuerza hacia abajo de la biela es más pequeña. Puede ver que a medida que el motor gira, el par variará enormemente durante la carrera de potencia desde un máximo un poco antes de la Imagen 15 hasta cero como en la Imagen 14.

Otra ineficiencia es que parte de la energía generada se utiliza en la carrera de compresión para exprimir la mezcla de combustible y aire lista para que se incendie la próxima vez. Esta es una de las razones por las que los motores de combustión interna suelen convertir entre el 25 y el 30 % de la energía del combustible en energía útil. Para motores eléctricos esto es alrededor del 90%. El motor alternativo y el cigüeñal tenían un diseño brillante, pero ahora las cosas son aún mejores. Debo recordar la próxima vez que esté en el campo de no darle la espalda a los miembros del club que aman sus ruidosos motores IC. 'No, no lo hemos visto hoy.' ¿Qué pala?

Cuando estaba en la universidad asistí a una conferencia sobre ingeniería automotriz. No lo creerás, pero yo era un poco inteligente. Tontamente, el conferenciante invitó a hacer preguntas al final. Dije: “La mayor parte de un automóvil moderno es tecnología antigua. ¿Cuándo cree que habrá un gran avance en el diseño de automóviles? Silencio. Tenía en mente a Rudolf Diesel (1858–1913), Nicolaus Otto (1832–1891) y Earle S. MacPherson (1891–1960), quienes reconocerían fácilmente los motores diesel y de gasolina (gas) y el montante de suspensión que se usa en los “motores modernos”. ' coches. Los resortes helicoidales se inventaron en 1906 y la suspensión independiente en 1922. Bueno, por supuesto, ahora sabemos la respuesta a mi pregunta: "¿Cuándo?" Nieva. Ahora tenemos motores eléctricos suaves y suspensión controlada electrónicamente. En los años sesenta, NSU probó un motor rotativo de gasolina, llamado epitricoidal, o menos afortunadamente Wankel. pero se agotó rápidamente, como descubrió a su costa un conocido mío. ¡20,000 millas entre reconstrucciones! Sin embargo, fue muy suave y potente y otras compañías automotrices lo han probado desde que incluyeron a Mazda y Chevrolet. Si tan solo las baterías fueran mejores y los precios de los autos más razonables, me encantaría un auto eléctrico.

Empuje vectorial

Un compañero del club ha creado modelos a escala de ventiladores que siempre son un placer de ver. Un regalo especial es su Sukhoi Su35 Flanker con empuje vectorial. Ha dominado la maniobra de la cobra en la que el morro es forzado hacia arriba más allá de la vertical seguido de una caída hacia adelante imitando una cobra que golpea como se ve en la Imagen 16. Cuando Mark está en el aire, le damos el cielo y todos solo miramos. Una vez que el empuje está vectorizado para crear un momento sobre el punto neutral, empuja el morro hacia arriba. Solo queda un pequeño componente para impulsar el modelo hacia adelante. La cobra se ha introducido con mucha velocidad.

Par servo

El par se mide en Nm, pero la fuerza de un servo (par) se suele dar en kg cm. Esto porque la gente sabe cómo se siente un kg y un cm es más manejable para cosas más pequeñas que un metro. La cantidad de fuerza que produce un servo depende de la longitud del brazo del servo. Un servo de 20 kg cm hará una fuerza de 10 kg en el extremo de un brazo de 2 cm, pero solo 4 kg en uno de 5 cm.

Centro de gravedad, momentos de cabeceo y punto neutro

Hay dos fuerzas verticales en un modelo de avión. El peso actúa hacia abajo y la sustentación actúa hacia arriba. En vuelo nivelado son iguales y de magnitud opuesta. El peso actúa a través del centro de gravedad (CG) y la sustentación a través del centro de sustentación (CL) también llamado Punto Neutro. ¿Qué pasa si el CG y CL están separados horizontalmente? Esto creará un efecto de giro, un par de torsión, que provocará cabeceos. Si el CG está frente al CL, el modelo tenderá a inclinar la nariz hacia abajo. Esto lo hace estable pero no responde. Si el CG está detrás del CL, la nariz se inclinará hacia arriba y el modelo tenderá a entrar en pérdida. En este estado, siempre que el piloto pueda mantener la estabilidad, el modelo volará más lento y, para los planeadores, esto suele significar un vuelo más largo. Tenga en cuenta que el término punto neutral se usa a menudo en lugar de CL.

“ El punto neutral es un punto alrededor del cual el momento de cabeceo no cambia con el ángulo de ataque (también conocido como centro aerodinámico; el punto neutral suele ser el de toda la aeronave , el centro aerodinámico de las superficies aerodinámicas individuales)”. — aviación.stackexchange.com

Esta excelente Imagen 17 del excelente libro Model Aircraft Aerodynamics de Martin Simons lo explica mejor que yo. Puedes leer más en mi artículo sobre los tres libros de Martin.

Líneas de empuje y punto neutro

Los motores casi siempre se ajustan en un ligero ángulo hacia la derecha y hacia abajo. Sólo unos pocos grados. La idea es que el vector de empuje (fuerza) pase por el punto neutral. Si lo hace, el empuje no produce un momento de fuerza, por lo que un cambio en el acelerador no provocará guiñada o cabeceo. Por supuesto en el caso de las hélices es más complicado. Hay un par opuesto a la rotación de la hélice y otros efectos que no se pueden cancelar mediante los ajustes de la línea de empuje para todos los ajustes del acelerador.

Fuerza y ​​estabilidad del plano de cola

Un plano de cola estabiliza un modelo automáticamente. Es por eso que a veces se le llama estabilizador horizontal. No me gusta este último ya que exhibe diarrea verbal con ocho sílabas donde la palabra tailplane es corta con dos y te dice exactamente qué es. Todos sabemos que un modelo con un plano de cola pequeño en un fuselaje corto es menos intrínsecamente estable, por lo que necesita un centro de gravedad más adelantado. El plano de cola pequeño genera una fuerza más pequeña y el brazo de cola más corto proporciona una distancia más corta para que actúe, por lo que el par o momento de restauración es menor. Del mismo modo, una pluma larga fortalecerá el momento del ascensor. Un planeador puede tolerar un plano de cola diminuto si la botavara es larga, como es el caso de mi ASW.

Inercia

La masa se opone al cambio de velocidad. Es una de las leyes fundamentales del universo que 'el universo contraataca'. A partir de 1884, Le Chatelier ideó una ley, inicialmente para reacciones químicas pero luego aplicándola a todos los sistemas cambiantes, que siempre que algo externo a un sistema físico cause un cambio, el sistema se opondrá al cambio. En el caso de objetos acelerados por una fuerza, la masa del objeto se opone a la fuerza. A esto lo llamamos inercia. Newton describió las dos fuerzas como acción y reacción. En el caso de un empuje acelerado, escribió la ecuación de su segunda ley F = m × a .

Cuando aceleramos un modelo la inercia de la masa del modelo intentará detenernos. Cuando aumentamos la corriente en los cables de nuestro motor, el campo magnético cambiante resultante induce una 'EMF inversa' en el cable que se opone al voltaje aplicado. Ambos son reacciones.

Usamos la misma palabra, 'reacción', en el campo del comportamiento humano. A las personas que habitualmente se oponen al cambio en sus comunidades se las llama reaccionarias. Eso no siempre es negativo. Me gusta la frase irónica, 'El poder del pensamiento negativo', que significa que las personas que son críticas son de gran valor para probar nuevas ideas. Aprendo mucho al justificar las nuevas tecnologías ante la vieja guardia reaccionaria en el campo de vuelo.

Henry Louis Le Châtelier

Henry Louis Le Chatelier nació el 8 de octubre de 1850 en París y era hijo de un influyente ingeniero de materiales francés Louis Le Chatelier y Louise Durand. Su madre crió estrictamente a los niños. Como dijo, “estaba acostumbrado a una disciplina muy estricta: era necesario levantarse a tiempo, prepararse para sus deberes y lecciones, comer todo lo que había en su plato, etc. Toda mi vida mantuve el respeto por el orden y la ley. . El orden es una de las formas más perfectas de civilización”.

Cuando era niño, Le Chatelier asistió a la escuela en París. A la edad de 19 años, después de solo un año de instrucción en ingeniería especializada, siguió los pasos de su padre al inscribirse en la École Polytechnique en 1869. Como todos los alumnos de la Politécnica, en septiembre de 1870 Le Chatelier fue nombrado segundo teniente y más tarde participó en el Sitio de París. Después de brillantes éxitos en su formación técnica, ingresó en la Escuela de Minería de París en 1871.

A pesar de su interés por los problemas industriales, Le Chatelier eligió enseñar química en lugar de seguir una carrera en la industria. Enseñó en la universidad de la Sorbona en París.

Es mejor conocido por su trabajo sobre el principio del equilibrio químico. También realizó una extensa investigación sobre metalurgia y fue ingeniero consultor de una empresa cementera, hoy conocida como Lafarge Cement. Su trabajo sobre la combustión de una mezcla de oxígeno y acetileno a partes iguales rindió una llama de más de 3000 grados centígrados y condujo al nacimiento de la industria del oxiacetileno.

Una cosa le pasó por alto. En 1901 combinó nitrógeno e hidrógeno a una presión de 200 atmósferas y 600 °C en presencia de hierro metálico, un catalizador. Se produjo una explosión que casi mata a un asistente. Por lo tanto, se dejó que Fritz Haber lo desarrollara y, menos de cinco años después, Haber logró producir amoníaco a escala comercial, utilizado tanto para explosivos como para fertilizantes. ¿Recuerdas la gran explosión en el puerto de Beirut en 2020? Escribió: “Dejé que el descubrimiento de la síntesis de amoníaco se me escapara de las manos. Fue el mayor error garrafal de mi carrera científica”. Un hecho bastante preocupante que aprendí recientemente es que la producción de fertilizantes produce enormes cantidades de dióxido de carbono, aproximadamente el 1% de los gases de efecto invernadero del mundo cada año.

Por cierto, el trabajo de Haber sobre guerra química y explosivos merece una lectura sombría. La Primera Guerra Mundial habría terminado mucho antes sin Haber. Su esposa se disparó y se suicidó probablemente debido al trabajo de guerra de Fritz. - (principalmente) Wikipedia

Comentarios negativos y positivos

En la retroalimentación negativa la reacción se opone al cambio. Cuando intentas empujar algo, las fuerzas de fricción se te oponen. Lo contrario, la retroalimentación positiva, puede ser muy peligrosa en nuestro campo. Aquí es donde la reacción se suma al cambio. Imagina si la fricción se invirtiera. Tan pronto como comiences a empujar, el objeto se alejará acelerando sin detenerse.

Suponga que ha invertido el movimiento de sus alerones. ¡Sí, lo he hecho! ¿Tú? Puede despegar en línea recta pero, tan pronto como intenta ladear, los alerones lo ladean en la dirección equivocada. Por lo tanto, aplica automáticamente más palo que normalmente se opondría al banco, pero en este caso empeora el problema. ¡Crujido! Un jugador que está perdiendo, en lugar de detenerse, puede convencerse a sí mismo de que otra apuesta más grande le devolverá su dinero. Bang va la casa. Muchos creen que la velocidad a la que funcionan los sistemas de negociación automatizados aumenta la inestabilidad del mercado. La gente está vendiendo, por lo que el sistema vende más en microsegundos. Retroalimentación positiva. Los precios se desploman. Eso sucedió en Londres justo después del 'Big Bang' de 1987.

Fuerzas Dinámicas

Las fuerzas dinámicas provocan un cambio en el movimiento o resultan de él. Un ejemplo son las fuerzas centrífugas y centrípetas, que se muestran en la Imagen 18, que a menudo se malinterpretan. Cuando haces girar una pelota en una cuerda, tu mano siente que la pelota tira de ti a través de la cuerda. Esta es la fuerza centrífuga (inercial). Lo que siente la pelota desde ti a través de la cuerda es la fuerza centrípeta, que es lo que la hace girar. Suelte la cuerda y la pelota inicialmente vuela en línea recta tangencial al círculo a medida que la fuerza centrípeta cae a cero.

La Tercera Ley de Newton también se puede redactar como "la naturaleza contraataca". Si impones una fuerza sobre algo, te empuja hacia atrás con una fuerza igual y opuesta. La cuerda experimenta ambas como una fuerza de tensión de estiramiento.

Experimento Uno: Inercia

Esto podría ser un experimento mental o, con cuidado, hecho de manera práctica. Encuentra un peso al que puedas atar una cuerda. Lo ideal es que sea de unos cientos de gramos pero suave para que no te dañe a ti ni a nada más cuando se caiga. Algunas perdigones de plomo o bolitas para hornear en una bolsa funcionarían.

Encuentre un trozo de cuerda bastante débil pero lo suficientemente fuerte como para sostener el peso. Cortar alrededor de un metro. Átelo a algo sólido, luego ate el peso en el medio. Tirarás de la parte inferior de la cuerda. Por primera vez, aumente gradualmente el tirón hasta que la cuerda se rompa. ¿Dónde se romperá? Sí, por supuesto, estará por encima del peso porque su tirón se suma al peso, por lo que es mayor por encima del peso. Ahora vuelve a atar la cuerda. Esta vez arrebatar con fuerza en la parte inferior. ¿Lo que sucede? La cuerda se rompe por debajo del peso. ¿No fue así? Hazlo de nuevo y arrebata más fuerte. Esta vez la inercia de la masa del peso da una gran fuerza de inercia que no llega a la parte superior de la cuerda.

Grados de libertad

Hay tres grados lineales, hacia adelante, hacia abajo y hacia los lados, y tres rotacionales en los mismos ejes. Nuestros modelos tienen los seis. Son el placer y el azote de los modelos voladores. Cuando lo hacemos bien es una delicia. Mal y recogemos los pedazos. Los automóviles o barcos tienen menos grados de libertad. Ferrocarriles modelo aún menos.

Para resumir:

• una sola fuerza resultante provoca un cambio de movimiento en uno o más grados lineales
• un par de fuerzas idénticas pero opuestas con un espacio entre ellas provoca un cambio en uno o más grados de rotación.
• un par de fuerzas diferentes con un espacio entre ellas provoca un cambio en todos los grados.

¿Cómo puede un artista acostarse sobre una cama de clavos sin sufrir daños? ¿Por qué los tacones de aguja hacen agujeros en los pisos? ¿Cómo puede una pequeña fuerza en una bomba de neumáticos de bicicleta hacer que los neumáticos sean realmente duros? ¿Por qué los elefantes tienen patas tan anchas? ¿Por qué funcionan las raquetas de nieve? La respuesta es la presión. Cuando una fuerza se extiende sobre un área grande, es menos destructiva.

Presión = fuerza / área

La unidad SI es el pascal Pa. Esto es un newton por metro cuadrado (N/m²), que es una cantidad pequeña. El resultado es que las presiones prácticas funcionan a cientos de miles de pascales. Los neumáticos de su automóvil tendrán un poco más de 200,000 Pa (200 kPa). Esta es una de las pocas unidades SI que realmente es una molestia, por lo que a menudo usamos la barra, que es 100 000 Pa, la presión promedio de la atmósfera cerca del suelo. En las unidades antiguas, será de aproximadamente 14 psi (libras por pulgada cuadrada).

Blaise Pascual (1623-1662)

Pascal era un erudito que trabajaba en los campos de las matemáticas, la física, los inventos mecánicos, la filosofía y la teología católica. Fue un niño genio, educado en casa por su padre, recaudador de impuestos en Rouen. Fue un firme defensor del método científico. Trabajó con Fermat en probabilidad, influyendo en la economía y las ciencias sociales. Inventó una de las primeras calculadoras mecánicas, llamada Pascaline, y una prensa hidráulica. Lo conocemos por su trabajo sobre dinámica de fluidos, presión y vacío, por lo que la unidad SI de presión, el pascal (Pa), lleva su nombre. Siempre padeció de mala salud, no ayudado por vivir un estilo de vida muy austero y ascético estimulado por su creencia de que los humanos deberían sufrir. La causa de su muerte prematura es incierta, pero se cree que es probable que tenga tuberculosis o cáncer de estómago.- (principalmente) Wikipedia

Por qué solo necesitamos un pequeño cambio de presión para levantar

Esto es de un artículo anterior en el New RCSD. Estamos en el fondo de un mar de aire de aproximadamente 20 km de profundidad. A nivel del mar, las fuerzas de las partículas de aire son altas, aunque nuestros cuerpos están adaptados a ellas, por lo que no las notamos. Un metro cúbico de aire tiene una masa de aproximadamente 1 kg. Entonces, una columna de aire de un metro cuadrado y 20 km de altura tiene una masa de 10,000 kg, suponiendo que la densidad cae constantemente a cero. Entonces, cada metro cuadrado tiene una presión de alrededor de 100,000 pascales debido a este aire acumulado encima. Cada pascal es un newton por metro cuadrado. Un newton (N) es el peso de una manzana mediana de 100 g (¡bien!). Un kilogramo pesa diez newtons. Así que cada metro cuadrado tiene 100 000 manzanas o 10 000 kg como se sugirió anteriormente. Puedes ver que solo necesitas un pequeño cambio en esto para crear una gran fuerza. Para generar una fuerza de elevación de 1 kg (10 N) en un área de superficie de un metro cuadrado, solo necesita una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior de 10/100 000 o una centésima parte del uno por ciento. Un modelo de 5 kg con una superficie alar de 0,5 m² solo necesitará una diferencia del 0,1 %.

Sí, eso me sorprendió y tuve que verificar los datos de ese porcentaje nuevamente cuando lo calculé. También probé nuevamente en unidades más antiguas donde la presión atmosférica es de 14 lb/pulgada cuadrada. Hay 1,550 pulgadas cuadradas en un metro cuadrado. Así que hay 1.550 x 14 o unas 22.000 libras de fuerza. Hay 2,2 lb en un kg, por lo que la respuesta es nuevamente aproximadamente 10 000 kg y 100 000 N. ¡Uf!

Fricción

Incluso el par de superficies más lisas es áspera a nivel microscópico. Para una superficie muy pulida, la rugosidad de pico a valle será de alrededor de 2 um (micrómetros). Ambas superficies tendrán esa rugosidad y se asentarán entre sí cuando estén estacionarias, lo que dificultará que se deslicen.

Como no se puede hacer nada realmente suave, la única forma de reducir significativamente la fricción entre dos cosas sólidas es mantener las dos superficies separadas. En cualquier caso, si pudiera crear dos superficies realmente planas, tal vez una sola capa de átomos como el grafeno, los dos se pegarían debido a los diferentes tipos de fuerza que están fuera de nuestro artículo.

El estudio de cómo se mantienen separadas las superficies se llama tribología: separándolas con líquidos, polvos, cojines de aire o campos magnéticos. Las moléculas de lubricante líquido suelen ser largas y tienen extremos que se adhieren a las superficies. Se alinean como las cerdas de un cepillo para mantener separadas las superficies. La alternativa es fabricar las superficies con materiales que sean naturalmente resbaladizos como el teflón (FTFE). Utilizo un par de pequeñas arandelas de PTFE en los ejes de apoyo de mi modelo de interior para motores de goma. Los hago a partir de una lámina delgada de PTFE en la que perforo agujeros de 1 mm o menos. Luego los perforo con un punzón para cuero de 2,5 o 3 mm.

Experimento dos: Fricción

Como viste anteriormente, cuanto más empinada es la pendiente, mayor es el componente de peso que tira de un objeto cuesta abajo. Los extremos son cero cuando es horizontal y 100% cuando es vertical. Un experimento muy ingenioso y divertido es obtener una pieza de madera más bien larga, que no tenga un alto pulido, para formar una pendiente. También necesita un bloque de madera o plástico, un transportador y algunos lubricantes, por ejemplo, agua, aceite de cocina, aceite de automóvil y polvos de talco. Sin duda pensarás en los demás. Coloque el bloque en la pendiente y levante gradualmente un extremo hasta que el bloque se deslice. Puede tocar suavemente la pendiente para desbloquear las dos superficies. Mide el ángulo.

Luego pruébalo con diferentes lubricantes. También puede sujetar con alfileres otras superficies a la pendiente, como una bolsa de polietileno, una hoja de PTFE, una pieza plana de vidrio, etc. Las diferencias en la pendiente deben ser llamativas. Más aún sería utilizar varillas redondas o lápices como rodillos. El uso de rodillos o ruedas significa que no hay fricción de deslizamiento ya que el punto de contacto no se desliza. Así funcionan los rodamientos de bolas y de rodillos. Puede encontrar la fuerza de fricción ya que es igual a mg sinθ. Comparamos las fricciones de dos superficies encontrando el coeficiente de fricción.

El coeficiente de fricción μ es la fuerza de fricción (estática o dinámica) dividida por la fuerza que empuja las superficies juntas.

μ = fuerza de fricción / fuerza de presión

Ahora miramos el diagrama de pendiente más complicado en la Imagen 19 en el punto de deslizamiento.

Fuerza de fricción f (igual a la componente del peso pendiente abajo) = m × g × sen θ

Fuerza que empuja las superficies juntas (componente del peso en la pendiente) = m × g × cos θ.

Puede encontrar el coeficiente de fricción μ ('mu') a partir de:

μ = m × g × sen θ / m × g × cos θ = tan θ as tan θ = sen θ / cos θ

Un ángulo de pendiente de 45º da un valor de tangente y μ de 1. La mayoría de los materiales se deslizarán en ángulos mucho más bajos. Los valores típicos de wikipedia son:

Latón sobre acero 0,35–0,51 19º — 27º, por ejemplo, cojinetes

Vidrio sobre vidrio 0,9–1 42º a 45º sorprendente

Acero sobre 'hielo' 0,03 1,7º p.ej. patinaje

PTFE sobre PTFE 0,04 2,3º p.ej. mis modelos de interior

PTFE sobre acero 0,04 a 0,2 11,3º p.ej. rodamientos PTFE

Fricción estática y dinámica

Si realiza el experimento, encontrará que el ángulo y la fuerza de fricción son mayores justo antes de que el bloque comience a deslizarse como se mencionó anteriormente. Esto se debe a que las asperezas de las dos superficies se han asentado entre sí y necesitan un levantamiento inicial. OK, eso no es una ciencia maravillosa, pero te da una idea. La fricción inicial se llama fricción estática. Al moverse se le llama fricción dinámica. Para medir eso, debe darle un ligero empujón al bloque, o un toque a la pendiente, para que el bloque comience.

Patinaje sobre hielo en el agua

Nadie patina sobre hielo. La presión producida por la hoja de un patín angosto derrite el hielo para que el patinador se deslice sobre una capa de agua, y luego la fricción disminuye cuando el patín y el hielo son separados por el agua. Esto solo es cierto hasta aproximadamente -30ºC cuando el cuerpo humano no puede producir suficiente presión para derretir el hielo. ¿Significa esto que un modelo ligero con esquís anchos podría sentir una mayor fricción? ¿Nadie sabe? Yo no vuelo de la nieve.

Eso es todo por esta parte. El próximo mes estaré hablando de energía. Gracias por leer y nos vemos la próxima vez.

© 2022 Pedro Scott

Recursos

• Peter Scott — La página de contacto en el sitio web personal del autor.
• Redescubriendo a Martin Simons — Por feliz coincidencia, el autor ya está curando una serie sobre los libros de Martin Simons. En la Parte IV, que apareció en la edición de noviembre de 2022 delNew RCSD, comenzó el estudio de los libros relacionados con modelos de aviones de Martin.
• Instituto de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Tecnológica de Brno : la organización que proporcionó la foto clave, que aparece sobre el título, para este artículo. Les agradecemos por permitir su uso y en particular al Profesor Asociado Dr. Jaroslav Juračka por su ayuda.

• Electricity for Model Flyers : la serie completa y de gran prestigio del autor presentada en las páginas delNew RC Soaring Digest.
• Cellmeter 8 : “¿Qué ofrece este económico medidor de batería y servocomprobador? Un poco, en realidad..."
• El bello arte del encofrado : “El método probado por el tiempo para moldear listones de madera en una estructura monocasco orgánica…”