Física en Aeronautica

E =mc2

wow

Fisica Aplicada en Aeronautica

Reyna Santillan Edwuard Javier Grupo:4IV03

¡Vamos!

Resumen

En esta presentacion veremos lo que sera la fisica en todos sus temas visto por la Fisica II y Fisica III en lo que fue 3er y 4to semestre de media superior, se abarcaran temas increiblemente fascinantes, algunos aburridos pero aplicados en lo que es mi carrera aeronautica, una carrera hermosa pero con unas fisicas increibles.

Índice

E =mc2

Elasticidad

LEYES DE NEWTON

Unidad IV

Unidad I

Fluidos

Trabajo, Energia y Potencia

Unidad V

Unidad II

Choques en una dimension

Temperatura, calor y dlatacion

Unidad III

Unidad VI

Leyes de Newton

Por mencionar algunas que son las mas importantes y para lo que mas se usa aqui le presentare dos que son las mas importantes en base a la dinamica que por decir es la madre de que una aeronave se mantenga en aire.

Fundamentos de dinamica

La dinámica, una rama de la física que estudia el movimiento y las fuerzas que provoca, es fundamental en la aeronáutica. Los principios dinámicos permiten diseñar, analizar y operar aeronaves de manera segura y eficiente. Esta pagina explora cómo se aplican los fundamentos de la dinámica a diversas áreas de la ingeniería aeronáutica.

Propulsión: Motores a Reacción y Turbinas La dinámica de fluidos juega un papel importante en el diseño de motores a reacción y turbinas. Las leyes de la termodinámica y la ecuación de continuidad son utilizadas para analizar el flujo de aire y combustibles a través de estos sistemas, optimizando la eficiencia y el empuje.

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Estabilidad y Control Dinámica de la Aeronave La estabilidad y control de una aeronave se basan en principios dinámicos. La estabilidad longitudinal, lateral y direccional aseguran que la aeronave mantenga su rumbo y actitud sin intervención continua del piloto. La ecuación de Euler y los momentos de inercia son conceptos esenciales aquí.

¿Porque se mueven los cuerpos?

Estabilidad y control

Fuerzas y movimiento

Propulsion

Sustentacion y arrastre

Leyes de Newton Las tres leyes de Newton son la base para entender el movimiento de las aeronaves. La primera ley explica que una aeronave en vuelo recto y nivelado continuará así a menos que una fuerza externa actúe sobre ella. La segunda ley, F=ma, es esencial para calcular la aceleración de una aeronave cuando se aplican fuerzas como la sustentación, el peso, la tracción y el arrastre. La tercera ley, que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta, se aplica en la propulsión, explicando cómo los motores a reacción generan empuje.

La Aerodinámica El estudio de la aerodinámica se basa en entender cómo las fuerzas actúan sobre los cuerpos en movimiento. La sustentación, que mantiene a la aeronave en el aire, y el arrastre, que se opone al movimiento, se analizan utilizando las ecuaciones de Bernoulli y las ecuaciones de Navier-Stokes. Estas ecuaciones describen el comportamiento del aire alrededor de las alas y otros componentes de la aeronave.

Motores y Turbinas Los motores de aeronaves generan movimiento al expulsar gases a alta velocidad. Esto se explica mediante la tercera ley de Newton, donde la acción de expulsar gases hacia atrás genera una reacción que empuja la aeronave hacia adelante. La termodinámica y la dinámica de fluidos son esenciales para diseñar estos sistemas de propulsión.

Dinámica del Vuelo La estabilidad de una aeronave en vuelo se logra mediante el equilibrio de fuerzas y momentos. La comprensión de los conceptos de centro de gravedad y centro de presión es crucial para diseñar aeronaves que mantengan una trayectoria estable. Los sistemas de control, como los alerones y el timón, aplican fuerzas para ajustar la orientación de la aeronave, utilizando principios de la teoría de control y dinámica.

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Primera Ley de Newton: Inercia Estabilidad y Vuelo Recto La primera ley de Newton establece que un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa actúe sobre él. En aeronáutica, esta ley se aplica para comprender la estabilidad de vuelo. Una aeronave en vuelo recto y nivelado continuará así a menos que se alteren las fuerzas actuantes (por ejemplo, por turbulencia o maniobras de control). Esto es esencial para diseñar sistemas de control automático que mantengan la aeronave estable sin intervención constante del piloto.

Segunda Ley de Newton: Fuerza y Aceleración Cálculo de Fuerzas La segunda ley, F=ma, es crucial para calcular las fuerzas necesarias para cambiar la velocidad y dirección de una aeronave. Por ejemplo, para lograr el despegue, los motores deben generar suficiente empuje para superar el peso y la resistencia al avance. Durante el vuelo, los ingenieros usan esta ley para diseñar sistemas que controlen la aceleración y deceleración, garantizando que las fuerzas aerodinámicas (sustentación y arrastre) estén equilibradas para un vuelo eficiente y seguro.

Leyes de Newton

Tercera Ley de Newton: Acción y Reacción Propulsión La tercera ley de Newton, que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta, se aplica directamente en la propulsión de aeronaves. Los motores a reacción y turbinas funcionan expulsando gases hacia atrás, generando un empuje hacia adelante que mueve la aeronave. Esta ley también se aplica en el diseño de hélices, donde el aire es empujado hacia atrás, creando una fuerza de reacción que propulsa la aeronave hacia adelante.

Fricción Aerodinámica Resistencia al Avance La fricción aerodinámica, o arrastre de fricción, es una fuerza que se opone al movimiento de la aeronave a través del aire. Este tipo de fricción ocurre debido al contacto del aire con la superficie del avión. La fricción de la capa límite, una región de aire que se mueve lentamente cerca de la superficie del avión, es una consideración importante en el diseño aerodinámico. Los ingenieros buscan minimizar este tipo de fricción para mejorar la eficiencia del combustible y aumentar la velocidad de la aeronave.

Friccion

Materiales y Superficies Recubrimientos y Tratamientos Para reducir la fricción aerodinámica, se utilizan materiales y recubrimientos especiales en la superficie de las aeronaves. Estos recubrimientos pueden incluir pinturas anti-insectos, recubrimientos hidrofóbicos y materiales compuestos avanzados que reducen la rugosidad superficial. Además, las técnicas de tratamiento de superficies, como el pulido y el acabado liso, son fundamentales para minimizar la fricción y mejorar el rendimiento aerodinámico.

Interacciones Mecánicas Componentes Móviles La fricción también afecta los componentes móviles dentro de la aeronave, como los sistemas de actuadores, las superficies de control y los motores. El desgaste por fricción puede reducir la vida útil de estos componentes y afectar su rendimiento. Por lo tanto, se utilizan lubricantes y materiales con baja fricción para minimizar el desgaste y asegurar una operación suave y eficiente.

Frenado y Aterrizaje Frenos de Aeronaves La fricción juega un papel crucial en el sistema de frenado de las aeronaves. Los frenos de disco, similares a los de los automóviles pero más avanzados, utilizan la fricción para detener la aeronave durante el aterrizaje. Los materiales de alta fricción, como compuestos de carbono y cerámica, son utilizados en los frenos para garantizar un rendimiento eficiente y seguro, especialmente en aeronaves grandes y pesadas.

Dinámica de Vuelo Efectos de la Fricción en Maniobras Durante las maniobras de vuelo, la fricción entre las superficies de control y el aire es crucial para la respuesta de la aeronave a las entradas del piloto. Los ingenieros deben tener en cuenta cómo la fricción afecta la estabilidad y el control de la aeronave, diseñando sistemas que compensen estos efectos para mantener un rendimiento óptimo.

Influencia en el Vuelo Peso y Sustentación: La gravedad es la fuerza que actúa hacia abajo sobre una aeronave, conocida como peso. Para mantener el vuelo, la fuerza de sustentación generada por las alas debe igualar o superar el peso. Los ingenieros aeronáuticos diseñan las alas y la configuración aerodinámica de la aeronave para maximizar la sustentación y equilibrar la fuerza gravitacional.

Ley de la gravitacion universal

Dinámica de Órbita Satélites y Vehículos Espaciales Para la aeronáutica que se extiende a la astronáutica, la ley de la gravitación universal es esencial para calcular las órbitas de satélites y vehículos espaciales. La velocidad orbital y la trayectoria deben ser calculadas con precisión para asegurar que los satélites permanezcan en sus órbitas designadas. Los ingenieros utilizan esta ley para diseñar las misiones y determinar los requerimientos de lanzamiento y maniobras en el espacio.

Diseño y Construcción Estructuras y Materiales El peso de la aeronave, que es el resultado de la fuerza gravitacional sobre su masa, influye en el diseño de las estructuras y la selección de materiales. Los ingenieros buscan materiales livianos y resistentes para reducir el peso total y mejorar la eficiencia del combustible, al mismo tiempo que aseguran la integridad estructural bajo las cargas gravitacionales.

Simulación y Entrenamiento Modelos Computacionales Los simuladores de vuelo y los modelos computacionales incorporan la ley de la gravitación universal para crear entornos de entrenamiento realistas. Estos simuladores permiten a los pilotos y a los ingenieros probar y perfeccionar maniobras y procedimientos de vuelo en condiciones que replican fielmente las influencias gravitacionales.

Leyes de Kepler

1ra Ley

3ra Ley

2da Ley

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Tiempo de Órbita La tercera ley de Kepler establece que el cuadrado del período orbital de un planeta es proporcional al cubo del semieje mayor de su órbita elíptica. Esta ley se aplica directamente en la planificación de misiones espaciales y la sincronización de satélites. Los ingenieros pueden predecir el tiempo que tarda un satélite en completar una órbita completa alrededor de la Tierra, lo cual es fundamental para la comunicación, la observación terrestre y la navegación GPS.

Órbitas Satelitales La primera ley de Kepler establece que los planetas se mueven en órbitas elípticas con el Sol en uno de los focos. En aeronáutica, esto se aplica al diseño de las órbitas de los satélites artificiales. Los ingenieros de vuelo utilizan esta ley para calcular las trayectorias y posiciones de los satélites alrededor de la Tierra. La comprensión de las órbitas elípticas es crucial para la colocación precisa de satélites en órbitas geoestacionarias, bajas y medias.

Velocidad Orbital La segunda ley de Kepler indica que una línea que conecta un planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto significa que los cuerpos en órbita se mueven más rápido cuando están más cerca del foco principal (perigeo) y más lento cuando están más lejos (apogeo). En la aeronáutica, esta ley es esencial para calcular las variaciones de velocidad de los satélites en diferentes puntos de sus órbitas. Los ingenieros utilizan estos principios para planificar maniobras orbitales y ajustes de trayectoria.

Propulsión y Trabajo Mecánico Motores y Turbinas Los motores de las aeronaves, ya sean de pistón, turbina o reacción, realizan trabajo mecánico al convertir energía química del combustible en energía cinética para propulsar la aeronave. Por ejemplo, en un motor a reacción, los gases de escape expulsados hacia atrás generan un empuje hacia adelante debido al trabajo realizado por las fuerzas internas del motor. Eficiencia de Combustible La eficiencia de los motores se mide en términos de la cantidad de trabajo mecánico producido por unidad de combustible. Los ingenieros buscan optimizar el diseño de los motores para maximizar el trabajo mecánico y minimizar el consumo de combustible, lo cual es crucial para la economía y el rendimiento de las aeronaves.

Aerodinámica y Trabajo Mecánico Fuerzas Aerodinámicas Las fuerzas aerodinámicas, como la sustentación y la resistencia, también implican trabajo mecánico. La sustentación se genera cuando las alas desvían el aire hacia abajo, realizando trabajo mecánico para mantener la aeronave en vuelo. Por otro lado, el trabajo realizado por la resistencia al avance debe ser superado por los motores para mantener una velocidad constante.

Trabajo Mecanico

Estructuras y Materiales Diseño Estructural El trabajo mecánico también se considera en el diseño estructural de las aeronaves. Las fuerzas internas que actúan sobre las estructuras, como las alas y el fuselaje, realizan trabajo mecánico que puede causar deformaciones. Los ingenieros deben asegurar que los materiales y el diseño puedan soportar estas cargas sin fallar.

Sistemas de Control y Trabajo Mecánico Actuadores y Superficies de Control Los sistemas de control de vuelo, que incluyen los actuadores y las superficies de control como los alerones y el timón, realizan trabajo mecánico para ajustar la orientación y trayectoria de la aeronave. Los actuadores convierten la energía eléctrica o hidráulica en trabajo mecánico para mover las superficies de control y dirigir la aeronave.

Energia mecanica

Sistemas de Propulsión

Energía Mecánica en Vuelo

Despegue y Ascenso Durante el despegue y el ascenso, los motores de la aeronave transforman la energía química del combustible en energía cinética y potencial. La aeronave gana energía cinética a medida que acelera por la pista y energía potencial a medida que se eleva en el aire. La eficiencia de esta conversión es crucial para optimizar el rendimiento del combustible y garantizar un despegue seguro.

Conversión de Energía Los motores de las aeronaves, ya sean de pistón, turbina o reacción, juegan un papel crucial en la conversión de energía. Estos sistemas convierten la energía química del combustible en energía mecánica, proporcionando el empuje necesario para el vuelo. La eficiencia de esta conversión determina el rendimiento y la autonomía de la aeronave.

Sustentación y Resistencia Las fuerzas aerodinámicas actúan sobre la aeronave en vuelo, y la energía mecánica se ve influenciada por la sustentación y la resistencia. La sustentación permite que la aeronave mantenga su altitud y, por lo tanto, su energía potencial. La resistencia, por otro lado, disipa la energía cinética como calor debido a la fricción con el aire, requiriendo una entrada constante de energía desde los motores para mantener la velocidad.

Resistencia y Rigidez El diseño estructural de las aeronaves debe considerar la energía mecánica para asegurar que las estructuras puedan soportar las cargas durante el vuelo sin fallar. Las alas, por ejemplo, deben ser lo suficientemente rígidas para soportar las fuerzas aerodinámicas y el peso de la aeronave, mientras permiten una cierta flexibilidad para disipar la energía sin daños estructurales.

Energía Mecánica y Aerodinámica

Diseño Estructural

Cantidad de movimiento e impulso

Despegue y Aterrizaje Durante el despegue, los motores de la aeronave generan un impulso considerable al aplicar una fuerza durante el tiempo necesario para acelerar la aeronave hasta la velocidad de despegue. Este impulso cambia la cantidad de movimiento de la aeronave, permitiendo que alcance la velocidad requerida para despegar. De manera similar, durante el aterrizaje, los frenos y sistemas de reversa de empuje generan un impulso negativo para reducir la velocidad de la aeronave y detenerla de manera segura. Maniobras en Vuelo Las maniobras de vuelo, como giros, ascensos y descensos, implican cambios en la cantidad de movimiento de la aeronave. Los pilotos aplican fuerzas mediante los controles de vuelo para generar el impulso necesario que altera la trayectoria y velocidad de la aeronave. Por ejemplo, al realizar un giro, los alerones y el timón aplican fuerzas que cambian la dirección del momento lineal de la aeronave.

Propulsión Motores y Empuje Los motores de las aeronaves generan empuje al expulsar gases a alta velocidad hacia atrás, creando un impulso hacia adelante. Según la tercera ley de Newton (acción y reacción), este impulso cambia la cantidad de movimiento de la aeronave, permitiendo su aceleración y mantenimiento de velocidad. El diseño de motores eficientes optimiza la generación de impulso para mejorar el rendimiento del combustible y la autonomía de vuelo.

Diseño y Simulación Análisis de Fuerzas En el diseño de aeronaves, se utilizan simulaciones y análisis de fuerzas para prever cómo las diferentes componentes reaccionarán a los impulsos y cambios en la cantidad de movimiento. Esto permite optimizar el diseño para mejorar la estabilidad, maniobrabilidad y seguridad de las aeronaves.

Impactos y Seguridad Absorción de Impactos En situaciones de emergencia, como aterrizajes forzosos, la absorción de impactos es crucial para la seguridad. Los ingenieros diseñan trenes de aterrizaje y estructuras de fuselaje que pueden absorber el impulso generado durante un impacto, minimizando el daño y protegiendo a los ocupantes.

Colisiones y Seguridad Absorción de Impactos En caso de colisiones o aterrizajes forzosos, la conservación de la cantidad de movimiento es fundamental para analizar y diseñar sistemas de seguridad. Los ingenieros diseñan estructuras y sistemas de absorción de impactos que distribuyen y reducen la cantidad de movimiento transferida a los ocupantes, minimizando las lesiones y daños.

Ley de conservacion de la cantidad de movimiento

Despegue y Aterrizaje Control de Velocidad Durante el despegue, los motores proporcionan el impulso necesario para aumentar la cantidad de movimiento de la aeronave desde el reposo hasta la velocidad de despegue. En el aterrizaje, los sistemas de frenado y reversa de empuje generan una fuerza en dirección opuesta al movimiento de la aeronave, disminuyendo su cantidad de movimiento y permitiendo una desaceleración segura.

Propulsión y Movimiento de Aeronaves Motores a Reacción: En aeronáutica, la ley de conservación de la cantidad de movimiento es clave para entender cómo los motores a reacción generan empuje. Cuando los gases de escape son expulsados hacia atrás a alta velocidad, generan una cantidad de movimiento en esa dirección. Por la tercera ley de Newton, una fuerza igual y opuesta se aplica a la aeronave, impulsándola hacia adelante. Esta transferencia de cantidad de movimiento permite que la aeronave acelere y mantenga la velocidad de crucero.

Diseño de Sistemas de Propulsión Optimización del Rendimiento Los ingenieros utilizan la ley de conservación de la cantidad de movimiento para optimizar los sistemas de propulsión, asegurando que la máxima cantidad de movimiento se transfiera de los motores a la aeronave con la mínima pérdida de energía. Esto mejora la eficiencia del combustible y el rendimiento general de la aeronave.

Maniobras en Vuelo Giros y Cambios de Trayectoria Las maniobras de vuelo, como los giros, implican la conservación de la cantidad de movimiento angular. Los pilotos utilizan las superficies de control, como los alerones y el timón, para aplicar fuerzas que cambian la dirección de la cantidad de movimiento de la aeronave sin cambiar su magnitud total. Esto permite realizar cambios de trayectoria manteniendo la estabilidad y control del vuelo.

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Tipos de choques

Aplicaciones en Aeronáutica Simulaciones de Impacto Los ingenieros aeronáuticos utilizan simulaciones de choques para diseñar estructuras capaces de soportar impactos. Mediante modelos computacionales, se analizan diferentes escenarios de colisiones, como aterrizajes forzosos, colisiones en pista y choques con aves, para prever cómo las fuerzas de impacto se distribuyen y absorben. Diseño de Estructuras La resistencia a choques es fundamental en el diseño de las estructuras de aeronaves. Los materiales y las configuraciones estructurales se eligen para maximizar la absorción de energía en caso de un choque. Por ejemplo, las zonas de deformación controlada en el fuselaje están diseñadas para absorber energía durante un impacto, reduciendo las fuerzas transmitidas a los ocupantes. Choques con Aves Las colisiones con aves son un riesgo significativo para la aviación. Los ensayos de choque con aves (bird strike tests) simulan impactos para evaluar la resistencia de los parabrisas, las alas y los motores. Estos ensayos ayudan a desarrollar materiales y diseños que minimicen el daño y aseguren la integridad de la aeronave. Aterrizajes de Emergencia En situaciones de emergencia, como un aterrizaje forzoso, es crucial que la aeronave absorba el impacto de manera que proteja a los ocupantes. Los ingenieros diseñan los trenes de aterrizaje y otras partes estructurales para comportarse de manera controlada durante un choque, disipando la energía del impacto y reduciendo el riesgo de lesiones.

Conceptos generales sobre deformacion

Diseño Estructural Los ingenieros aeronáuticos utilizan análisis de deformación para diseñar componentes que puedan soportar las cargas durante el vuelo. Las alas, el fuselaje y otros elementos estructurales deben ser capaces de deformarse elásticamente bajo cargas sin sufrir daños permanentes. Las simulaciones de estrés y deformación ayudan a optimizar estos diseños para asegurar la resistencia y durabilidad.

Materiales Compuestos Los materiales compuestos, como la fibra de carbono, se utilizan extensivamente en la aeronáutica debido a su alta relación resistencia-peso y su capacidad de soportar deformaciones elásticas. La investigación y el desarrollo de nuevos materiales que puedan resistir deformaciones significativas sin fallar son una parte esencial de la ingeniería aeronáutica.

Respuesta a Impactos En situaciones de impacto, como colisiones con aves o aterrizajes forzosos, las estructuras de las aeronaves deben ser capaces de deformarse de manera controlada para absorber la energía del impacto y proteger a los ocupantes. Los ingenieros diseñan componentes críticos para deformarse en modos específicos que maximicen la absorción de energía y minimicen el daño.

Seguridad y Mantenimiento El monitoreo de la deformación en las estructuras de las aeronaves es crucial para la seguridad. Los ingenieros emplean técnicas como la inspección visual, ultrasonidos y sensores de deformación para detectar deformaciones inusuales que puedan indicar daños o fatiga en los materiales. El mantenimiento preventivo basado en el monitoreo de la deformación ayuda a evitar fallos catastróficos.

Ley de Hook

Control de Vibraciones La ley de Hooke también se utiliza en el diseño de sistemas de control de vibraciones. Por ejemplo, en el diseño de alas y superficies de control, los amortiguadores y materiales elásticos están diseñados para absorber vibraciones y oscilaciones que podrían afectar el rendimiento aerodinámico y la estabilidad del vuelo.

Diseño de Suspensión y Amortiguación En la aeronáutica, la ley de Hooke se aplica en el diseño de sistemas de suspensión y amortiguación, como los trenes de aterrizaje. Los resortes y amortiguadores deben ser diseñados para absorber impactos durante el despegue, el aterrizaje y las operaciones en tierra. La constante K del resorte se selecciona para proporcionar la rigidez adecuada que permita la absorción de energía sin comprometer la estabilidad y seguridad de la aeronave.

Materiales Compuestos En el desarrollo de materiales compuestos utilizados en la construcción de aeronaves, la ley de Hooke es fundamental para comprender cómo estos materiales se deforman bajo cargas específicas. La combinación de matrices y fibras en materiales como la fibra de carbono se optimiza utilizando principios de elasticidad descritos por la ley de Hooke para mejorar la resistencia y durabilidad de las estructuras aeronáuticas.

Análisis de Estructuras El análisis de esfuerzo y deformación ayuda a los ingenieros a evaluar la resistencia y la seguridad de las estructuras de las aeronaves bajo diferentes condiciones operativas, incluidas las cargas aerodinámicas y las turbulencias. Las simulaciones computacionales permiten prever cómo responderán las estructuras ante diversas fuerzas y deformaciones, optimizando así el diseño y la eficiencia.

Esfuerzo, deformacion y modulo de Young

Selección de Materiales Los ingenieros aeronáuticos utilizan el módulo de Young para seleccionar materiales que proporcionen la rigidez necesaria para las estructuras críticas, como alas, fuselajes y superficies de control. Por ejemplo, materiales como el aluminio y la fibra de carbono tienen diferentes módulos de Young y se eligen según las necesidades de resistencia y peso.

Mantenimiento e Inspección El monitoreo de esfuerzos y deformaciones en las aeronaves durante su ciclo de vida es crucial para el mantenimiento preventivo y la detección temprana de posibles fallos estructurales. Técnicas avanzadas de inspección, como pruebas no destructivas y análisis de estrés, ayudan a identificar áreas de preocupación y guían las decisiones de mantenimiento.

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Densidad y peso especifico

Peso Específico El peso específico γ es el peso por unidad de volumen de un material: γ=ρ⋅g Donde g es la aceleración debido a la gravedad local. El peso específico es una medida útil para comparar la densidad de diferentes materiales y sustancias dentro y fuera de la aeronave. Densidad La densidad ρ de un material es su masa por unidad de volumen: ρ= Vm Donde m es la masa y V es el volumen del material. En aeronáutica, comprender la densidad es esencial para determinar la masa total de la aeronave, incluidos el combustible, la carga útil y los componentes estructurales.

Estabilidad y Equilibrio La distribución de la densidad afecta el centro de gravedad de la aeronave, que es crucial para la estabilidad y el control durante el vuelo. El diseño cuidadoso de la distribución de carga y componentes ayuda a mantener un centro de gravedad dentro de los límites seguros para asegurar un vuelo estable.

Performance y Eficiencia La densidad del combustible y otros fluidos (como aceite y agua) afecta directamente la eficiencia y el rendimiento de la aeronave. Comprender cómo varía la densidad con la temperatura y la altitud es esencial para calcular la cantidad de combustible necesaria y optimizar la eficiencia del vuelo.

Aqui podra ver a detalle el centro de gravedad de una aeronave

La comprensión de la presión atmosférica, manométrica y absoluta es crucial en la aeronáutica para garantizar el diseño, la seguridad y el rendimiento de las aeronaves. Estos conceptos físicos se aplican en diversas áreas, desde la aerodinámica hasta los sistemas de presurización y la instrumentación de vuelo.

Presion atmosferica, manometrica y absoluta

Presión Absoluta La presión absoluta es la presión total medida respecto al vacío absoluto, sumando la presión manométrica y la presión atmosférica. Motores de Turbina: Los sensores de presión absoluta son cruciales para el control y la optimización de los motores de turbina. Estos motores dependen de mediciones precisas de la presión absoluta para regular la mezcla de aire y combustible, asegurando una combustión eficiente. Sistemas de Presurización de Cabina: Los sistemas de presurización de cabina dependen de la medición de la presión absoluta para mantener un ambiente seguro y cómodo para los pasajeros y la tripulación. Esto es especialmente importante a altitudes elevadas donde la presión atmosférica es significativamente menor.

Presión Atmosférica La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire sobre una superficie debido al peso de la atmósfera. A nivel del mar, esta presión es aproximadamente 101.325 Pa (Pascal). Aplicaciones en Aeronáutica Aerodinámica de Vuelo: La presión atmosférica influye en la densidad del aire, afectando la sustentación y la resistencia aerodinámica. A medida que una aeronave asciende, la presión disminuye, lo que requiere ajustes en el rendimiento del motor y el diseño de las alas para mantener la eficiencia. Altimetría: Los altímetros utilizan la presión atmosférica para determinar la altitud de la aeronave. La precisión en la lectura de altitud es vital para la navegación y la seguridad del vuelo.la boca abierta!

Presión Manométrica La presión manométrica es la presión medida en un sistema que no toma en cuenta la presión atmosférica, es decir, es la presión relativa a la presión atmosférica. Sistemas de Combustible: Los manómetros se utilizan para medir la presión del combustible en los tanques y sistemas de suministro. Mantener la presión adecuada es esencial para el funcionamiento eficiente y seguro del motor. Neumáticos y Amortiguadores: La presión manométrica se mide en los neumáticos y sistemas de amortiguación para asegurar que se mantengan dentro de los límites operativos, garantizando un aterrizaje seguro y maniobrabilidad en tierra.

Presion hidrostatica y absoluta

La presión hidrostática y absoluta son conceptos fundamentales en física que tienen importantes aplicaciones en la aeronáutica. Comprender estas presiones es esencial para el diseño, operación y mantenimiento de las aeronaves, particularmente en sistemas de combustible, presurización de cabinas y dispositivos de medida.

Ejemplos PrácticosTomas de Combustible en Vuelos de Largo Alcance: En vuelos largos, la gestión eficiente del combustible es vital. La presión hidrostática ayuda a determinar la cantidad de combustible disponible y su distribución en los tanques, asegurando una correcta alimentación a los motores durante todo el vuelo. Operación en Altitudes Elevadas: Durante el ascenso a altitudes elevadas, la presión atmosférica disminuye, lo que afecta tanto la presión absoluta como la hidrostática en los sistemas de la aeronave. Los ingenieros diseñan los sistemas para adaptarse a estos cambios y asegurar el rendimiento óptimo de la aeronave.

Presión AbsolutaLa presión absoluta es la suma de la presión atmosférica y la presión manométrica, medida respecto al vacío absoluto: P abs=P atm+P man

La presión hidrostática es la presión ejercida por un fluido en reposo debido a la gravedad. Se calcula con la fórmulaP=ρgh

Motores de Turbina: Los motores de turbina dependen de la presión absoluta para regular la mezcla de aire y combustible de manera precisa, optimizando la eficiencia de la combustión y el rendimiento del motor.Sistemas de Presurización de Cabina: La presurización de la cabina se controla mediante la medición de la presión absoluta para mantener un ambiente seguro y confortable para los pasajeros y la tripulación, especialmente a altitudes elevadas donde la presión atmosférica es baja. Instrumentación de Vuelo: Los altímetros y otros instrumentos de vuelo utilizan sensores de presión absoluta para proporcionar lecturas precisas de altitud y otras condiciones atmosféricas críticas para la navegación y la seguridad.

Sistemas de Combustible: En los tanques de combustible, la presión hidrostática es crucial para asegurar una correcta alimentación del combustible a los motores. La presión en la base del tanque debe ser suficiente para superar la presión de entrada del motor y mantener un flujo constante.Pruebas de Estanqueidad: Durante el diseño y mantenimiento de las aeronaves, se realizan pruebas de estanqueidad en los tanques de combustible y otros sistemas presurizados para asegurarse de que no haya fugas. Estas pruebas a menudo implican llenar los tanques con un líquido y medir la presión hidrostática para verificar su integridad estructural.

Principio de Pascal

3.Control de superficies de vuelo

1.Frenos hidraulicos

Los flaps, slats y otros dispositivos aerodinámicos se controlan mediante sistemas hidráulicos. La presión hidráulica permite mover estos componentes con precisión, mejorando la maniobrabilidad y eficiencia de la aeronave durante el despegue, vuelo y aterrizaje.

La presión aplicada en los frenos hidráulicos se distribuye uniformemente a través del líquido hidráulico, permitiendo una respuesta rápida y uniforme en todos los frenos de las ruedas del tren de aterrizaje.

4.Principio de Pascal mantenimietno

2.Tren de aterrizaje

Mantenimiento y Pruebas: Durante el mantenimiento, los ingenieros verifican la integridad de los sistemas hidráulicos utilizando el principio de Pascal. Las pruebas de presión aseguran que no haya fugas y que la presión se transmita correctamente a todos los componentes. Diseño de Sistemas Hidráulicos: Los ingenieros aeronáuticos diseñan los sistemas hidráulicos teniendo en cuenta el principio de Pascal para garantizar que la presión se distribuya uniformemente y que todos los actuadores respondan de manera coordinada. Esto es vital para la seguridad y eficacia del sistema.

Los mecanismos de retracción y extensión del tren de aterrizaje dependen de actuadores hidráulicos que operan bajo el principio de Pascal. La presión ejercida por la bomba hidráulica se transmite uniformemente, permitiendo una operación suave y coordinada del tren de aterrizaje.

Principio de Arquimedes

• Pruebas en Tanques Hidrostáticos: Durante el diseño y la fabricación de aviones anfibios, se llevan a cabo pruebas en tanques hidrostáticos para verificar la flotabilidad y estabilidad. Estas pruebas aplican el principio de Arquímedes para asegurarse de que los aviones cumplan con los requisitos de seguridad y rendimiento.
• Densidad del Combustible: La densidad del combustible afecta directamente el peso y el balance de la aeronave. Utilizando el principio de Arquímedes, los ingenieros pueden calcular la densidad del combustible a diferentes temperaturas y ajustar la carga de combustible en consecuencia para mantener la eficiencia y seguridad del vuelo.

• Análisis de Densidad y Flotabilidad
• Aunque las aeronaves operan principalmente en el aire, el principio de Arquímedes es relevante en varias áreas, como la determinación de densidades y la flotabilidad en el diseño y pruebas de aviones anfibios y el cálculo de peso y balance.

Diseño de Aviones Anfibios: Los aviones anfibios, que pueden operar tanto en agua como en tierra, deben tener una flotabilidad adecuada. El principio de Arquímedes se utiliza para calcular la fuerza de empuje necesaria para mantener la aeronave a flote cuando está en el agua. Este cálculo asegura que el diseño del fuselaje y los flotadores proporcione suficiente empuje para soportar el peso de la aeronave y su carga útil. Determinación de Peso y Balance: En aeronáutica, es crucial mantener un balance adecuado para asegurar la estabilidad y seguridad del vuelo. El principio de Arquímedes ayuda en la determinación precisa del volumen y la densidad de los componentes y fluidos, como el combustible. Esto permite calcular correctamente el centro de gravedad y asegurarse de que se mantenga dentro de los límites operativos seguros.

Generación de Sustentación El teorema de Bernoulli es fundamental para explicar cómo las alas de las aeronaves generan sustentación. El diseño del ala hace que el aire se mueva más rápido sobre la superficie superior que sobre la superficie inferior, creando una diferencia de presión que resulta en una fuerza de sustentación hacia arriba. Perfil Alar: Las alas están diseñadas con un perfil específico (aerodinámico) que maximiza la velocidad del aire sobre la superficie superior y minimiza la velocidad bajo la superficie inferior, siguiendo el teorema de Bernoulli. Esto crea una baja presión en la parte superior del ala y alta presión en la parte inferior, produciendo sustentación. Flaps y Slats: Durante el despegue y aterrizaje, se utilizan flaps y slats para modificar el perfil del ala, incrementando la sustentación a bajas velocidades. El teorema de Bernoulli ayuda a entender cómo estas modificaciones afectan la distribución de presión alrededor del ala. Instrumentación de Vuelo Los instrumentos de vuelo, como el tubo Pitot y el altímetro, utilizan principios derivados del teorema de Bernoulli para proporcionar información crítica sobre la velocidad y altitud de la aeronave. Tubo Pitot: Este dispositivo mide la presión total y la presión estática del aire para calcular la velocidad de la aeronave. La diferencia entre estas presiones se relaciona directamente con la velocidad del aire, usando el teorema de Bernoulli. Altímetro: Aunque se basa principalmente en la presión atmosférica, el funcionamiento del altímetro está relacionado con los principios de Bernoulli, ya que la presión medida disminuye con la altitud.

Teorema de Bernoulli

Diferencia entre temperatura y calor

Temperatura La temperatura indica el nivel de energía térmica dentro de una sustancia. Se mide en grados Celsius (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (K). Calor El calor es la energía transferida entre objetos o sistemas debido a una diferencia de temperatura. Se mide en joules (J) o calorías (cal). Gestión Térmica en Motores La eficiencia y seguridad de los motores de aeronaves dependen en gran medida del control preciso de la temperatura y la gestión del calor.

Motores de Turbina: En los motores de turbina, es crucial mantener las temperaturas dentro de los límites operativos para evitar daños. La gestión del calor se realiza a través de sistemas de enfriamiento y materiales resistentes a altas temperaturas. El conocimiento de la diferencia entre temperatura y calor permite diseñar sistemas que disipen eficientemente el calor generado durante la combustión.

Condiciones Atmosféricas: Las variaciones de temperatura en la atmósfera influyen en la densidad del aire, afectando la sustentación y resistencia aerodinámica. Los ingenieros deben considerar estos factores al diseñar perfiles alares y planificar rutas de vuelo.

Sistemas de Refrigeración: Las aeronaves utilizan sistemas de refrigeración para controlar la temperatura de componentes críticos como los motores y la electrónica. Estos sistemas funcionan transfiriendo el calor desde los componentes a un medio de enfriamiento, aprovechando la diferencia de temperatura para mantener un rendimiento óptimo.

De-icing Systems: En condiciones de vuelo donde la formación de hielo es una preocupación, se utilizan sistemas de deshielo que aplican calor a las superficies críticas como las alas y los estabilizadores. Estos sistemas deben ser eficientes para mantener las superficies libres de hielo sin consumir excesiva energía.

Escalas termometricas

Escala CelsiusLa escala Celsius es comúnmente usada en la mayoría de los países y en diversas aplicaciones científicas y técnicas. Su punto de referencia es el punto de congelación del agua a 0°C y el punto de ebullición a 100°C a presión atmosférica estándar. Escala Fahrenheit Utilizada principalmente en Estados Unidos, la escala Fahrenheit fija el punto de congelación del agua en 32°F y el punto de ebullición en 212°F. Escala Kelvin La escala Kelvin es la unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) y es esencial en aplicaciones científicas. Su punto cero, 0 K, es el cero absoluto, donde la energía térmica es mínima.

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Formas de tranferencia de calor

Formas de Transferencia de Calor Conducción La conducción es la transferencia de calor a través de un material sólido. Se produce cuando hay una diferencia de temperatura entre dos puntos del material. Convección La convección es la transferencia de calor a través de un fluido (líquido o gas) debido al movimiento del propio fluido. Puede ser natural, debido a diferencias de densidad y temperatura, o forzada, mediante dispositivos como ventiladores o bombas. Radiación La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. No requiere un medio material para propagarse, lo que la hace efectiva en el vacío del espacio.

Sistemas de De-icing: Los sistemas de deshielo utilizan la conducción y convección para transferir calor a las superficies del ala y otros componentes críticos, evitando la acumulación de hielo y garantizando la seguridad del vuelo. Enfriamiento de Electrónica: Los equipos electrónicos a bordo, como los sistemas de navegación y comunicación, requieren una gestión térmica precisa. Se utilizan disipadores de calor (conducción) y ventiladores (convección forzada) para mantener estos sistemas dentro de sus rangos de temperatura operativos.

Gestión Térmica de Motores Conducción en Motores: En los motores de aeronaves, especialmente los de turbina, la transferencia de calor por conducción es crucial para la disipación del calor generado. Materiales de alta conductividad térmica, como las aleaciones de aluminio y titanio, se utilizan para asegurar que el calor se distribuya y disipe eficientemente. Convección en Sistemas de Enfriamiento: Los sistemas de enfriamiento por convección, tanto naturales como forzados, son esenciales para mantener las temperaturas operativas dentro de límites seguros. Los radiadores y sistemas de refrigeración líquida utilizan convección forzada para transferir el calor del motor al aire circundante.

Aislamiento y Protección Térmica Radiación Térmica en Alta Altitud: A grandes altitudes, donde las temperaturas pueden ser extremadamente bajas y la radiación solar intensa, los materiales compuestos y revestimientos especiales en las aeronaves ayudan a gestionar la radiación térmica, protegiendo los componentes internos y manteniendo una temperatura adecuada. Aislamiento de la Cabina: La cabina de una aeronave necesita aislamiento eficaz para proteger a los pasajeros y la tripulación de las temperaturas extremas del exterior. Los materiales aislantes evitan la transferencia de calor por conducción y convección, asegurando un ambiente confortable.

Cantidad de calor y calor especifico

Diseño de Materiales Selección de Materiales: En la fabricación de aeronaves, se eligen materiales con calor específico adecuado para asegurar una gestión térmica eficiente. Los materiales de alta capacidad calorífica se utilizan para disipar el calor en áreas críticas como las alas y el fuselaje. Protección Térmica: Los ingenieros deben considerar el calor específico de los materiales para diseñar sistemas de aislamiento térmico que protejan a los pasajeros y la tripulación de las temperaturas extremas del exterior.

Gestión Térmica de Motores Motores de Turbina: La eficiencia de los motores de turbina depende de la capacidad de manejar altas temperaturas. Conocer el calor específico de los materiales utilizados en los componentes del motor es crucial para diseñar sistemas de refrigeración que puedan disipar el calor generado durante la combustión sin causar daños. Enfriamiento de Componentes: Los sistemas de refrigeración en aeronaves utilizan fluidos con alto calor específico para absorber y transferir calor de los componentes críticos. Por ejemplo, el aire o el líquido refrigerante circulan a través de los radiadores para mantener las temperaturas operativas.

Pruebas de Materiales: Durante el desarrollo de nuevos materiales para aeronaves, se realizan pruebas para determinar su calor específico y capacidad de absorción de calor. Estas pruebas aseguran que los materiales puedan soportar las condiciones térmicas extremas durante el vuelo. Sistemas de Calefacción y Refrigeración: En la cabina, los sistemas de calefacción y aire acondicionado utilizan principios de transferencia de calor y calor específico para mantener un ambiente confortable. Los ingenieros calculan la cantidad de calor necesaria para ajustar la temperatura interna en función de las condiciones externas.

Estados de agregacion de la materia y calor latente

Estados de Agregación de la Materia Sólido: Las partículas están en posiciones fijas y tienen formas definidas. Líquido: Las partículas están más separadas que en los sólidos y pueden fluir, adaptándose al contorno del recipiente. Gas: Las partículas están mucho más separadas y se mueven libremente, llenando el espacio disponible. Plasma: Estado ionizado de la materia, común en entornos de alta energía. Calor Latente El calor latente es la energía requerida para cambiar el estado de una sustancia sin cambiar su temperatura. Los principales tipos son el calor latente de fusión (sólido a líquido) y el calor latente de vaporización (líquido a gas).

Gestión de Combustible y Sistemas Hidráulicos Combustible de Aviación: El combustible en los tanques de las aeronaves puede experimentar cambios de fase debido a las variaciones de temperatura y presión durante el vuelo. El calor latente de vaporización es crucial para diseñar sistemas que eviten la formación de burbujas de vapor, asegurando un suministro continuo de combustible al motor. Sistemas Hidráulicos: Los fluidos hidráulicos deben mantenerse dentro de ciertos límites de temperatura y presión para evitar cambios de estado que puedan afectar su rendimiento. Conocer el calor latente y los puntos de cambio de fase es esencial para diseñar sistemas de control térmico eficaces. Control Ambiental en la Cabina Deshielo y Antihielo: En condiciones de baja temperatura, las aeronaves pueden acumular hielo en las superficies exteriores. Los sistemas de deshielo y antihielo utilizan calor para cambiar el estado del hielo a agua (sólido a líquido) y luego a vapor (líquido a gas), utilizando el calor latente de fusión y vaporización respectivamente. Sistema de Aire Acondicionado: El aire acondicionado en las cabinas de las aeronaves controla la temperatura y humedad, manejando el calor latente para mantener un ambiente confortable. Este sistema utiliza el calor latente de vaporización del refrigerante para enfriar el aire.

Dilatacion lineal, superficial y volumetrica termicas

Paneles de Control: Los paneles de control de vuelo están fabricados con materiales que tienen coeficientes de dilatación térmica adecuados para asegurar que los instrumentos y controles no se descalibren o fallen debido a cambios de temperatura. Componentes Aerodinámicos: Los componentes como alerones y timones están diseñados considerando la dilatación térmica para mantener su funcionalidad y eficiencia aerodinámica en diversas condiciones climáticas.

Dilatación Lineal La dilatación lineal ocurre en una dimensión específica de un objeto, generalmente a lo largo de su longitud. Se puede calcular utilizando la fórmula: ΔL=αLΔT

Dilatación Superficial y Volumétrica Dilatación Superficial: Se refiere al cambio en el área de una superficie debido a cambios de temperatura. Se calcula usando el coeficiente de dilatación superficial. Dilatación Volumétrica: Es el cambio en el volumen de un objeto debido a cambios de temperatura. Se calcula usando el coeficiente de dilatación volumétrica.

Diseño y Mantenimiento de Estructuras Materiales Compuestos: En aeronáutica, se utilizan materiales compuestos avanzados que pueden experimentar diferentes tasas de dilatación térmica según la dirección de las fibras. Comprender la dilatación lineal es crucial para diseñar estructuras que mantengan su integridad bajo condiciones extremas de temperatura. Juntas y Uniones: Las juntas y uniones en las alas, fuselaje y otras partes de la aeronave deben diseñarse considerando la dilatación térmica. Los ingenieros calculan y compensan las variaciones dimensionales causadas por la dilatación para evitar fallas estructurales.

Procesos Termodinámicos Comunes Isotérmico: El gas se mantiene a temperatura constante. Isobárico: La presión del gas se mantiene constante. Isocórico: El volumen del gas se mantiene constante. Adiabático: No hay transferencia de calor entre el gas y su entorno.

Leyes de los Gases Ideales Los gases ideales siguen las leyes de la termodinámica, que incluyen la ley de Boyle, ley de Charles y ley de Gay-Lussac, así como la ecuación de estado de los gases ideales: PV=nRT

Gestión de Presurización de Cabina Presurización: Durante el vuelo, las aeronaves mantienen la presión en la cabina a niveles cómodos para los pasajeros y tripulación. La termodinámica ayuda a diseñar sistemas que puedan manejar cambios de presión y temperatura de manera eficiente y segura.

Procesos termodinamicos en gases ideales

Sistemas de Refrigeración y Climatización Ciclo de Refrigeración: Los sistemas de aire acondicionado y refrigeración en las aeronaves utilizan procesos termodinámicos para enfriar y regular la temperatura dentro de la cabina. Esto implica la compresión y expansión de gases para transferir calor del interior al exterior de la aeronave.

Diseño de Motores y Turbinas Ciclo Brayton: Este ciclo termodinámico se utiliza en motores de reacción y turbinas de gas. Comprender la expansión y compresión adiabáticas del aire en los motores es esencial para optimizar la eficiencia y potencia del motor. Ciclo Otto: Empleado en motores de pistón, como los utilizados en aeronaves ligeras. Este ciclo implica procesos isotérmicos y adiabáticos para la compresión y expansión del aire y combustible.

Eficiencia del Motor: Los ingenieros aeronáuticos utilizan modelos termodinámicos para calcular y optimizar la eficiencia de los motores, considerando las variaciones en la presión y temperatura del aire durante el vuelo. Diseño de Sistemas de Climatización: Los sistemas de climatización en las cabinas deben diseñarse para manejar eficazmente los cambios de temperatura y presión, garantizando un ambiente confortable y seguro para los pasajeros.

Final

Asi se acaba nuestra informacion, gracias por tomarse el teimpo de leerla y enseñarnos lo maravilloso que es la fisica maestra, fue un honor trabajar con usted estos semestres y parciales, espero le guste y espero sacar buena calificacion JAJA.

Bibliografias APA

Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2013). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons. Anderson, J. D. (2010). Introduction to Flight. McGraw-Hill Education. Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2014). Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Education. Hill, P., & Peterson, C. R. (1992). Mechanics and Thermodynamics of Propulsion. Addison-Wesley. Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2001). Rocket Propulsion Elements. John Wiley & Sons. Houghton, E. L., & Carpenter, P. W. (2003). Aerodynamics for Engineering Students. Butterworth-Heinemann. Torenbeek, E. (2013). Advanced Aircraft Design: Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes. John Wiley & Sons. Mattingly, J. D., & Heiser, W. H. (2002). Aircraft Engine Design. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Roskam, J. (1997). Airplane Design: Part I - Preliminary Sizing of Airplanes. DARcorporation. Kermode, A. C. (1996). Mechanics of Flight. Pearson Education. Blatt, F. J. (1972). Principles of Physics. Prentice-Hall. Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons. Hsieh, W. (2008). Aircraft Dynamics and Automatic Control. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Pope, A., & Fryer, P. (2003). Introduction to Aircraft Structural Analysis. John Wiley & Sons. Smith, J. M., Van Ness, H. C., Abbott, M. M., & Swihart, J. C. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Education. Perkins, C. D. (2008). Introduction to High-Temperature Superconductivity. World Scientific. Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., & Huebsch, W. W. (2008). Fundamentals of Fluid Mechanics. John Wiley & Sons. Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Education. White, F. M. (2011). Fluid Mechanics. McGraw-Hill Education. Cumpsty, N. A. (2003). Jet Propulsion: A Simple Guide to the Aerodynamic and Thermodynamic Design and Performance of Jet Engines. Cambridge University Press.

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Sustentación y Arrastre El análisis aerodinámico de las fuerzas de sustentación y arrastre es fundamental. La sustentación debe superar el peso de la aeronave para mantenerla en vuelo, mientras que el arrastre debe ser minimizado para maximizar la eficiencia del combustible. Las ecuaciones de Bernoulli y las ecuaciones de Navier-Stokes son herramientas matemáticas que describen el flujo de aire alrededor de las alas y el fuselaje.

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