Principios de vuelo (I): Unidades de medida

- Introducción

- Sistema Internacional de medidas
- Unidades derivadas

- Leyes de Newton

Antes de estudiar aerodinámica, es esencial refrescar las ideas básicas sobre física y unidades de medida que aprendimos en el colegio. En aeronáutica, todas las mediciones a nivel mundial se basan en el Sistema Internacional de unidades o SI, pero en la práctica existen algunas anomalías, por ejemplo, la altitud, que se indica en pies en vez de metros, y la velocidad que se indica en millas náuticas por hora (nudos) en vez de metros por segundo.

Las Unidades del SI

Las unidades fundamentales del SI que nos interesan son:

Masa: La cantidad de materia en un cuerpo; Medido en kilogramos (kg).
Longitud: La distancia entre dos puntos; Medido en metros (m).
Tiempo: La duración de un evento; medido en segundos (s).

De estas, se pueden derivar otras unidades estándar.

Unidades derivadas

Las siguientes cantidades y sus unidades de medida relacionadas se utilizan ampliamente en aerodinámica:

Área: Es una medida de superficie expresada en metros cuadrados (m2).
Volumen: Una medida del espacio ocupado por un cuerpo, expresada en metros cúbicos (m3).
Velocidad: Una medida de movimiento en una dirección específica, expresada en metros por segundo (m/s).
Aceleración: Una medida del cambio de velocidad de un cuerpo, expresada en metros por segundo cada segundo o metros por segundo al cuadrado (m/s2).
Momento: El producto de la masa por la velocidad de un cuerpo, expresado en kilogramos metros por segundo (kgm/s). Momento = Masa x Velocidad.
Fuerza: Una influencia externa capaz de alterar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, y es proporcional a la tasa de cambio de momento de un cuerpo. Fuerza = Masa x Aceleración La unidad de fuerza es el Newton (N), que es la fuerza requerida para dar a una masa de un kilogramo una aceleración de un metro por segundo cada segundo.
Peso: La fuerza gravitacional de atracción que la tierra ejerce sobre un cuerpo de masa dada. Peso = Masa x Aceleración debido a la gravedad. A diferencia de la masa de un cuerpo, que permanece constante independientemente de su ubicación, el peso de un cuerpo varía con la distancia entre el cuerpo y el centro de la tierra. Esto se debe a que la aceleración debida a la gravedad varía con la ubicación geográfica y la altitud, pero en condiciones estándar se supone que este término es de 9,81 m/s2. La unidad de peso es el Newton.
Trabajo: El esfuerzo necesario cuando se aplica una fuerza a un cuerpo hace que se levante o se mueva una distancia determinada en la misma dirección que la fuerza. Trabajo = Fuerza x Distancia La unidad de trabajo es el Julio o Joule (J). Un Joule es el trabajo realizado cuando una fuerza de un Newton mueve un cuerpo una distancia de un metro en la dirección de la fuerza. El trabajo también se puede expresar en términos de Newton Metro (Nm), donde 1 Joule = 1 Nm.
Potencia: La tasa de trabajo expresada en unidades de trabajo por unidad de tiempo. La unidad de potencia es el vatio (W), donde 1 vatio = 1 J/s o 1 Nm/s.
Energía: La capacidad para realizar un trabajo. En mecánica, existe en dos formas básicas:

Energía potencial: Debido a la posición.
Energía cinética: Debido al movimiento. La unidad de energía es Joule (J), donde 1 Joule = 1 Nm.

Presión: La fuerza por unidad de área que actúa sobre una superficie. La unidad de presión es el Newton por metro cuadrado (N/m2), que se llama Pascal (Pa). En aerodinámica existen tres tipos de presión:

Presión Estática: la que ejerce el aire estacionario. La presión se ejerce por igual en todas las direcciones. por ejemplo, una masa de aire estacionario en un contenedor, ejercerá una cierta cantidad de presión estática en las paredes circundantes (Ver diagrama).

Presión dinámica: Esto ocurre cuando el aire en movimiento se detiene en la superficie de un cuerpo, es decir, cuando existe un movimiento relativo entre la superficie y el flujo de aire.
Presión total: El tercer tipo de presión comúnmente referido en aerodinámica es la presión total (o presión de pitot). Esto es simplemente la suma de presiones estáticas y dinámicas en cualquier punto de un flujo de aire en movimiento.

Densidad (ρ): La masa de material por unidad de volumen. La unidad de densidad es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). La densidad del aire es una de las propiedades más importante en el estudio de la aerodinámica y se altera con los cambios en la presión, la temperatura y la humedad. Tales cambios tienen un efecto significativo en las actuaciones de los aviones.
Temperatura (T): Una medida del calor de un cuerpo. La unidad de temperatura es el Grado Celsius (° C). La unidad de temperatura termodinámica es el Kelvin (K) y es la unidad utilizada normalmente en los cálculos científicos. Para convertir del sistema Celsius al sistema Kelvin, se debe agregar 273 a la temperatura en °C. por ejemplo, 15°C = 15 + 273 = 288 K.

Es también importante comprender algunas de las leyes con las que nos encontraremos al estudiar los principios básicos del vuelo. La mayoría de ellas se pueden resumir con un vistazo a las Leyes de Newton.

Primera ley: Todos los cuerpos continúan en su estado de reposo o de movimiento uniforme (no acelerado) en línea recta, a menos que sea ejercida alguna fuerza externa. Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y un cuerpo en movimiento continuará en movimiento a menos que sea afectado por una fuerza externa.
Segunda ley: La tasa de cambio de impulso de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza externa que actúa sobre el cuerpo en la dirección de la fuerza. La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que lo causa e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. (F = m x a)
Tercera ley: si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B, entonces el cuerpo B ejerce una fuerza directa igual y opuesta sobre A. Para cada acción hay una reacción opuesta igual a otra.

-----------------Ejercicios sobre unidades de medida------------------

1.- La unidad de presión SI derivada es el:

a) milibar
b) mm de mercurio
c) Pascal
d) Newton por metro

2.- La presión dinámica es:

a) la presión total en un punto donde una corriente de aire en movimiento se detiene
b) la cantidad por la cual la presión aumenta en un punto donde una corriente de aire en movimiento se detiene
c) el cambio de presión debido al peso de la atmósfera
d) el cambio de presión causado por el calentamiento cuando se lleva una corriente de aire en movimiento a reposo

3.- La presión dinámica es igual a:

a) La densidad multiplicada por la velocidad al cuadrado
b) la mitad de la densidad multiplicada por la velocidad
c) la mitad de la densidad multiplicada por la velocidad al cuadrado
d) la mitad de la velocidad multiplicada por la velocidad al cuadrado

4.- El peso de un cuerpo determinado:

a) disminuye con la distancia desde el centro de la tierra
b) aumenta con la distancia desde el centro de la tierra
c) permanece constante independientemente de la distancia desde el centro de la tierra
d) es el más ligero en el centro de la tierra

Respuestas

1.- C
2.- B
3.- C
4.- A

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