¿Porque vuela un helicóptero?

[inakigarber]

Buenas noches;

Hace un tiempo escuchando a un "experto", este decía que los helicópteros vuelan "por la fuerza centrífuga". La explicación de este "experto" no me pareció satisfactoria, fundamentalmente porque no supo salir del "porque si".
Entiendo que los helicópteros tienen dos hélices (salvo algún modelo) para contrarrestar el momento angular que una única hélice produciría sobre el fuselaje. Entiendo también que los helicópteros permanecen en el aire por la fuerza de sustentación que se produce al moverse las hélices sobre el aire, de forma similar a como vuela un avión. De manera que la sustentación del helicóptero en el aire podría explicarse mediante el teorema de Bernoulli. Pero en lo referente al avance de un helicóptero, me parece imposible que se deba a la fuerza centrífuga, ya que la resultante de la fuerza centrífuga de las palas de la hélice sobre el fuselaje sería 0. Ademas la fuerza centrífuga es una fuerza giratoria.

Por lo que he leído en algún lugar, la física que explica el avance de un helicóptero vendría determinada por el efecto giroscópico (el mismo que determina que una peonza pueda estar un rato girando antes de caerse), pero no consigo llegar a visualizarlo para este caso. Ya no tendré ocasión de volver a hablar con este "experto", pero quisiera aclarar este asunto por curiosidad ¿Porque vuela un helicóptero?
Saludos y gracias.

[Richard R Richard]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Hola iñaki el avance del helicóptero se debe a que hay mecanismo por el cual es posible cambiar el ángulo de inclinación de las palas con el eje de rotación por lo que se logra inclinar el eje de rotación con respecto a la vertical asi la fuerza de sustentación va a tener dos componentes una vertical y una horizontal que al no haber vínculo con la tierra se convierte en avance.

En el foro se ha debatido un par de veces...recuerdo...http://forum.lawebdefisica.com/threa...ht=helicoptero



En cuanto a la fuerza centrífuga en conveniente hablar de centrípeta...

Lo mas difícil de resolver tecnológicamente en un helicóptero es el anclaje de las palas al rotor, la vibración y la fatiga de los materiales hacen de las suyas , y debe trabajarse con suma precisión para brindar seguridad...pues cada pala es solicitada a la tracción para tener esa centrípeta

[carroza]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Hola.

Aparte de lo dicho por R3, creo que hablar de la "fuerza centrifuga" como causante de cualquier tipo de movimiento del helicoptero es un error garrafal, que muestra que no se sabe realmente lo que significa "fuerza centrifuga".

La fuerza centrifuga es un tipo particular de fuerza de inercia. Es una fuerza que aparece cuando estamos en un sistema de refererencia acelerado. En concreto, en un sistema en rotación. En el caso del helicóptero, a no ser que estemos sentados en las aspas giratorias, no hay fuerza centrífuga que valga.

Un observador que, desde la tierra, observa el movimiento de un helicóptero podrá hablar de la fuerza que hacen las aspas del helicoptero sobre el aire (empujándolo hacia abajo), y de la fuerza de reacción que ejerce este mismo aire sobre el helicóptero (empujándolo hacia arriba). Podrá hablar de las tensiones (centrípetas) sobre las aspas, que producen un movimiento circular de las aspas. Pero no puede hablar de fuerzas centrífugas porque está en un sistema inercial.

Saludos

[inakigarber]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Hola.

Aparte de lo dicho por R3, creo que hablar de la "fuerza centrifuga" como causante de cualquier tipo de movimiento del helicoptero es un error garrafal, que muestra que no se sabe realmente lo que significa "fuerza centrifuga".

La fuerza centrifuga es un tipo particular de fuerza de inercia. Es una fuerza que aparece cuando estamos en un sistema de refererencia acelerado. En concreto, en un sistema en rotación. En el caso del helicóptero, a no ser que estemos sentados en las aspas giratorias, no hay fuerza centrífuga que valga.

Un observador que, desde la tierra, observa el movimiento de un helicóptero podrá hablar de la fuerza que hacen las aspas del helicoptero sobre el aire (empujándolo hacia abajo), y de la fuerza de reacción que ejerce este mismo aire sobre el helicóptero (empujándolo hacia arriba). Podrá hablar de las tensiones (centrípetas) sobre las aspas, que producen un movimiento circular de las aspas. Pero no puede hablar de fuerzas centrífugas porque está en un sistema inercial.

Saludos

Estoy totalmente de acuerdo con tu comentario. Por otra parte, supongamos una hélice de un helicóptero formada (por ejemplo por tres palas). Para que el sistema sea equilibrado (y lo es) todas las palas deben ser iguales (igual longitud e igual masa) y estár separadas intervalos iguales de la circunferencia. ($2\pi/3 (Rad)$ en el ejemplo). La resultante sobre el eje de tal sistema de fuerzas va a ser siempre 0 (Por supuesto eso no quiere decir que no exista fuerza centrípeta ninguna, cualquier objeto que estuviera en esa hélice la experimentaría) y por tanto no va a producir ninguna fuerza resultante. Eso siempre lo he tenido claro.

Lo que no sabia es que se varía la fuerza de ascensión según en que lado esté la pala para producir el movimiento de avance, haciendo que la fuerza de sustentación se incline ligeramente. De manera que el avance del helicóptero vendría dado por esta inclinación y supongo que tambien por el efecto giroscópico que se produce al cambiar el eje de giro de las hélices.

Creo que esto empiezo a tenerlo más claro.

- - - Actualizado - - -

Para completar lo que escribí ayer, quiero anexar una imagen, a ver si así me expreso más claramente.

La figura A representaría la aeronave quieta en el aire. El momento angular de la hélice (flecha gris) produciría un momento angular sobre el fuselaje (flecha roja) que tendería a girar en sentido contrario a la hélice. Este momento se compensa con el momento producido por el rotor de cola.

Figura 2. Para hacer avanzar el helicóptero hago que la fuerza sustentadora en la parte posterior de la hélice sea sea superior, la hélice se inclina y crea una resultante hacia adelante que se me ha olvidado dibujar, pero también (por efecto giroscópico) tenderá a crear un momento de fuerza que tiende a hacer que la aeronave se ladee (figura 3).

Por otra parte, considerando ahora el efecto debido al movimiento del aire con respecto a la hélice. Dado que la fuerza sustentadora aumenta con la velocidad relativa entre pala y aire, esta será mayor en la parte inferior del dibujo y menor en la superior; consecuencia, la hélice tiende a ladearse y debido nuevamente al efecto giroscópico la aeronave tenderá a cabecear (figura 4).

Consecuencia, la física de este asunto es mucho más complicada de lo que pensaba yo y desde luego de quien atribuía a "fuerzas centrífugas".
Si estoy equivocado en algo me gustaría me lo aclararais.
Saludos y gracias.

[Richard R Richard]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Hola iñaki
Unos pequeños tips
En la figura A los momentos angulares se representan como un vector o flecha que tiene la dirección del eje de giro. Así el de rotor de cola esta bien dibujado pero no el del rotor principal que debe ser saliente del plano del papel.
Cuando el helicóptero esta en el aire el rotor principal empuja con su eje a las palas y la reacción de estas se aplica en el fuselaje que tendería a girar en el sentido contrario a las palas, para evitarlo el rotor trasero impulsa al fuselaje por la cola compensando el giro, el pequeño momento angular de este eje genera una inclinación en el sentido de avance o cabeceo,que se compensa con el batimiento.
Este el el mismo concepto usado para compensar la diferencia de velocidades relativas con respecto al aire que expones en la figura 4.
Debido a esa corrección en la práctica la figura 3 aunque sucede no se observa a causa de la compensación de la sustentación de cada pala.
Lo que dices sobre la figura 2 es correcto y no me doy cuenta sobre lo que quieres preguntar sobre la 5
Echarle un ojo a la primera parte de este documento
https://www.google.com.ar/url?sa=t&s...OfzsPRM-1mLTbg

[hassan]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Aprovecho para incluir la pregunta tonta del día:

¿Por que un helicóptero RC hace trucos que uno grande no puede hacer?

Supongo que la relación empuje/peso es muchísimo mayor en uno RC que en uno grande, pero por otro lado pienso que las leyes de la física son las mismas para ambos sistemas, con lo que no veo "inconveniente" en que un helicóptero grande haga vuelo invertido. No se.

[Richard R Richard]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

¿Por que un helicóptero RC hace trucos que uno grande no puede hacer?

No puede.... Seguro?

dejo el video a modo ilustrativo...

La razón por la que un helicóptero comercial no hace loops y demás virguerías es la misma por la cual un avión comercial no las hace... la seguridad de los pasajeros que van en su interior...

Técnicamente son posibles esos vuelos mientras que se satisfaga por diseño la relación de peso potencia que haga posible la maniobra con el motor empleado.

Obviamente un RC esta sobrado de potencia para el peso , la altura en caída libre para el tiempo de maniobra es menor y la solicitación en tensiones para los materiales de construcción es menor.

Además el piloto es mas valiente o audaz, si no viaja en el interior del helicóptero... saludos

[inakigarber]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Hola iñaki
Unos pequeños tips
En la figura A los momentos angulares se representan como un vector o flecha que tiene la dirección del eje de giro. Así el de rotor de cola esta bien dibujado pero no el del rotor principal que debe ser saliente del plano del papel.
...

En realidad, donde dije momento, debiera haber dicho movimiento. En esta figura el momento de la hélice sería una flecha saliente de la pantalla al observador y el momento producido por la hélice sobre el fuselaje sería otra flecha de igual módulo y dirección pero sentido contrario (entrante). Ocurriendo que $I_h \omega_f+I_f \omega_h=0$, donde las respectivas "I" representan al momento de inercia de hélice y helicóptero respectivamente y $\omega$ a la velocidad angular. Hay que tener en cuenta que una será en sentido positivo y la otra en sentido negativo.
Sobre lo que quería exponer en la figura 5 vamos a ver si me aclaro mejor.
Empecemos por la figura 4.

En ella trato de representar el movimiento del helicóptero respecto al aire en el sistema de referencia del helicóptero. Dado que la fuerza de sustentación varía con la velocidad relativa pala/aire (con su cuadrado, según indica el documento que anexaste), entonces nos encontraremos con que la fuerza de sustentación no es uniforme a lo largo de todo el giro de la hélice, ya que esta será superior en la parte inferior del dibujo (se suman las velocidades) que en la superior (se restan las velocidades). Luego se creará un momento de fuerza que tenderá a hacer ladear la helice, el cual por efecto giroscópico tenderá a hacer cabecear la nave. No me gusta abusar del envio de archivos adjuntos, pero en este caso creo que es oportuno hacerlo.

En amarillo el movimiento ascendente, en rosa el movimiento debido al giro de la hélice.
¿Es así, o sigo equivocado?

Saludos y gracias.

[Richard R Richard]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Luego se creará un momento de fuerza que tenderá a hacer ladear la helice, el cual por efecto giroscópico tenderá a hacer cabecear la nave.

Quizá estemos explicando lo mismo con otras palabras, pero creo que lo que dices no sucede exactamente así.
Si fuera cierto e incorregible ningún helicóptero funcionaría correctamente.
Cuando el helicóptero avanza ,durante medio giro la pala que tiene menor velocidad relativa, la acción de batimiento le otorga mayor ángulo de ataque, y menor durante el otro medio giro, de modo que la sustentación lograda en esos medios giros (izquierda y derecha de la nave)sea la misma, y se conserve la vertical. Donde la vertical no se conserva es durante el medio giro de la trompa y de la cola, como bien indicaste la sustentación del lado de la cola es mayor , que en el medio giro de la trompa, y el efecto es un inclinación del fuselaje en el sentido de avance, podriamos decir que las aspas se adelantan a las patas, con lo cual ese ángulo aplica la sustentación en el sentido del avance provocando una fuerza que no es compenzada por ninguna otra fuerza mas que el rozamiento o resistencia del aire, de modo que el helicóptero acelera hacia adelante.

En amarillo el movimiento ascendente, en rosa el movimiento debido al giro de la hélice.
¿Es así, o sigo equivocado?[

Las fuerzas están bien dibujadas, pero el esquema 5 es al reves, la cola asciende al momento de avanzar y desciende al ir en reversa.
https://www.google.com.ar/search?q=p...iw=360&bih=559

Espero te aclare la duda.

[inakigarber]

Re: ¿Porque vuela un helicóptero?

Lo que quise decir, no se si equivocadamente, que al desplazarse el helicóptero respecto al aire, y al no ser la velocidad relativa pala/aire constante, ya que en una parte de la trayectoria ambas velocidades se suman y en la otra se restan, dedo que la fuerza de sustentación se incrementa en función de dicha velocidad relativa, esta no será constante. Esto tendrá como consecuencia que uno de los lados de la hélice (el inferior -señalado con un punto verde-) tenderá a levantar el helicóptero en tanto que el otro (señalado con un punto verde/blanco) no tenderá a levantarlo (o lo hará en menor grado), consecuencia el helicóptero tendería a ladearse. Ahora bien, la hélice del helicóptero es un sólido rígido (mas o menos) girando en torno a un eje de rotación, por lo cual estará sometido a un movimiento de precesión, según la dinámica de rotación del solido rígido.

Escrito por Richard R Richard...
[FONT=Verdana]Las fuerzas están bien dibujadas, pero el esquema 5 es al reves, la cola asciende al momento de avanzar y desciende al ir en reversa.[/FONT]
https://www.google.com.ar/search?q=p...iw=360&bih=559

En la figura 5 lo que he tratado de representar es el sistema desde el sistema de referencia de un observador situado en el punto verde. La hélice en ese punto se desplaza hacia la derecha. Si el punto verde corresponde al punto donde la fuerza de sustentación es mayor, la hélice en ese punto estará sometida a un movimiento con una componente vertical (hacia arriba) y otra horizontal (hacia adelante), en tanto que el punto opuesto (verde/blanco) estará sometido a movimientos opuestos. Esto tendería a hacer rotar el plano de rotación de la hélice y por tanto del helicóptero, de tal manera que tendería a levantar la cabeza y bajar la cola, si no existiera ningún mecanismo que lo compensara. (por supuesto considerando el sentido de giro de las hélices, que en este caso lo elegí al azar).

¿Es esto cierto?

Saludos y gracias.