Fuerzas en una cometa. Centro de Investigación Glenn. NASA.
Nota del traductor: entender las fuerzas que intervienen en el vuelo de una cometa te permitirá hablar con términos más precisos y entender como podemos mejorar nuestras cometas en su vuelo.
Resumen: hay fuerzas verticales (peso "W" , sustentación "L" y la tracción vertical "Pv") y horizontales (El arrastre "D" y la tracción horizontal "Ph"). La suma de todas estás fuerzas deben ser cero si la cometa está en equilibrio.
Una excelente manera para que los estudiantes adquieran una idea de las fuerzas aerodinámicas, es hacer volar una cometa. Las cometas pueden volar por las fuerzas que actúan sobre las partes de la cometa. A pesar que las cometas vienen en muchas formas y tamaños, las fuerzas que actúan sobre una cometa son los mismas para todas las cometas y se muestran en esta diapositiva. Se pueden comparar estas fuerzas a las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo , con la tensión en sustitución al empuje, que son exactamente las mismas. Esta similitud en las fuerzas permitió a los hermanos Wright probar sus teorías de vuelo en aviones, ellos usaron cometas entre 1900 y 1902.
Esta página muestra un diagrama de cuerpo libre aplicado a una cometa. En un diagrama de cuerpo libre, se dibuja un objeto único y todas las fuerzas que actúan sobre ese objeto. Las fuerzas son vectores con una magnitud y una dirección, así cada fuerza se señala con una flecha con la longitud proporcional a la magnitud de la fuerza y la punta de la flecha apunta en la dirección de la fuerza. Una propiedad importante de los vectores es que pueden descomponerse en componentes perpendiculares (eje x e y), y podemos desarrollar ecuaciones escalares en cada dirección de los componentes.
En la página, hay tres fuerzas principales que actúan sobre la cometa: el peso, la tensión en la línea, y la fuerza aerodinámica. El peso W ( weight) actúa siempre desde el centro de gravedad hacia el centro de la tierra. La fuerza aerodinámica es generalmente dividida en dos componentes (en azul), la sustentación L (lift), que actúa en forma perpendicular al viento, y el arrastre D (drag), que actúa en la dirección del viento. La fuerza aerodinámica actúa a través del centro de presión.
Cerca de la tierra, el viento puede virar o cambiar de dirección e intensidad, es decir ráfagas debido a la turbulencia en la capa límite de la tierra. Sin embargo, lejos de la tierra, el viento es bastante constante y paralelo a la superficie de la tierra. En este caso, la sustentación “L” se opone directamente al peso de la cometa “W”, como se muestra en la figura.
La tensión en la línea actúa en los puntos de la brida, donde se une la línea de la brida a la cometa. Dividiremos la tensión en dos componentes, la tracción vertical PV ( vertical pull ) y la tracción horizontal Ph ( horizontal pull).
Cuando la cometa está en un vuelo estable las fuerzas se mantienen constantes y no hay ninguna fuerza externa neta que actúa sobre el cometa, a partir de la primera ley de Newton del movimiento, podemos decir:
Dirección vertical
En la dirección vertical, la suma de las fuerzas es cero. Por lo tanto la tracción vertical “PV” más el peso “W” menos la sustentación “L” es igual a cero.
PV + W - L = 0
Dirección Horizontal
En la dirección horizontal, la suma de la tracción horizontal y arrastre también deben ser iguales a cero.
Ph - D = 0
Con un cierto conocimiento de la geometría de la cometa y la velocidad del viento, podemos determinar el valor de la sustentación y resistencia. Y con el conocimiento de la geometría de la cometa y los materiales utilizados para hacer la cometa se puede determinar el peso. A continuación, puede resolver las dos ecuaciones dadas anteriormente para los componentes horizontal y vertical de la tensión en la línea.
Ph - D = 0
Con un cierto conocimiento de la geometría de la cometa y la velocidad del viento, podemos determinar el valor de la sustentación y resistencia. Y con el conocimiento de la geometría de la cometa y los materiales utilizados para hacer la cometa se puede determinar el peso. A continuación, puede resolver las dos ecuaciones dadas anteriormente para los componentes horizontal y vertical de la tensión en la línea.
Cerca del punto brida, la línea se inclina en un ángulo llamado ángulo de la brida b. La magnitud de este ángulo se relaciona con la magnitud relativa de los componentes de la tensión.
tan b = Pv / Ph
Donde tan es la función trigonométrica tangente. Conociendo el ángulo de la brida, la longitud de la línea, y el peso por unidad de longitud de la línea, se puede predecir la altura a la que la cometa volará. Usted puede utilizar el programa KiteModeler para resolver todas las ecuaciones que se muestran en esta diapositiva.
La fuerza relativa de las fuerzas determina el movimiento de la cometa como se ha descrito con las leyes de Newton del movimiento. Si una ráfaga de viento golpea la cometa, el aumentará la sustentación "L" y la arrastre "D". La cometa se moverá verticalmente porque la fuerza de sustentación “L” supera el peso “W” y la fuerza vertical ”PV”, y la fuerza de tensión aumenta debido al incremento del arrastre “D”. Finalmente, un nuevo punto de equilibrio se establecerá y la cometa alcanzará una nueva condición estable diferente que al principio. Debido al cambio en la fuerzas relativas aerodinámicas y el peso, la cometa también gira sobre el punto brida para equilibrar los torques.
Traducción: Carlos Ávalos.
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