Aviones y Bernoulli ~ Sitio de Inventos

Vamos a hacer un proyecto de ciencias para comprobar como se produce la sustentación de un avión. Un avión vuela por la combinación de varios principios y efectos de la física, siendo el principio de Bernoulli la causa más importante. Construyendo un pequeño avión de foam y una especie de "túnel del viento" podemos verlo.

Sin querer entrar aquí en ecuaciones ni cálculos, ya que no se trata de dar una clase de física, el principio de Bernoulli viene a ser el principio de conservación de la energía aplicada a ciertos fluidos como es el aire en este caso. El aumento de la velocidad aumenta la energía, y el aumento de la presión también, por lo que si la velocidad de un fluido aumenta, para mantener el equilibrio forma natural se tenderá a bajar su presión.

En el ala de un avión, por su forma característica se produce este mismo efecto.

La parte superior es más curvada que la inferior, por lo que la distancia que tiene que recorrer el mismo aire es mayor por la parte de arriba que por la parte de abajo, obligando a que este aire dividido se acelere en la parte superior, para salir del ala a la vez que el aire de la parte inferior.

Al aumentar la velocidad, por efecto Bernoulli, el aire disminuirá su presión con respecto a la parte inferior del ala, creándose un efecto de succión que elevará al avión.

Para que este efecto sea suficiente, todos los aviones tienen una velocidad mínima de sustentación, que se da cuando esta fuerza de succión supera al peso del aparato y por lo tanto se eleva.

Para simular la velocidad del avión, vamos a montar un ventilador de velocidad regulable con un motor brushless alimentado por una batería LiPo. Y ya que estamos, podemos aprovechar para ver en que consisten estos motores, los tipos que hay y como se hacen funcionar. También hablaremos que las características de las baterías LiPo.

MOTOR

El motor que voy a utilizar tiene las siguientes características:

Es un motor brushless, lo que significa que no tiene escobillas, y que no hay ningún punto de rozamiento que se pueda desgastar para proporcionar energía a los bobinados, cosa que si ocurre en los motores con escobillas o brushed. Estos motores, como todos los motores eléctricos, tienen un rotor (la parte del motor que gira) y un estator (la que no gira). Vemos en las características que se trata de tipo outrunner, lo que significa que la parte externa del motor es el rotor, es lo que gira. El estator es la parte central, y en este caso es la que tiene los bobinados. El rotor está formado por potentes imanes de neodimio, que le proporcionan mayor fuerza que otro tipo de motores. El tipo inrunner, tendría el rotor en el centro y el estator con los bobinados rodeándolo. Es el tipo de motor que estamos más acostumbrados a ver.

Este motor está preparado para un voltaje de 7,2 a 11,1 voltios, o lo que traducido a baterías LiPo serían baterías 2S y 3S. De eso hablaremos después.

Otro parámetro importante es el KV. Este en concreto es de 1100KV, lo que nos dice que su velocidad máxima será de 1100 rpm por cada voltio, o sea, que si lo alimentamos con un voltaje de 10 V, nos dará una velocidad de 11000 rpm.

La corriente máxima nos vendrá bien saberla para elegir variador, la potencia desarrollada es de 170W y al tratarse de un motor para aeromodelismo, el fabricante nos sugiere hélices adecuadas.

Estos motores son trifásicos y no se pueden alimentar directamente. Necesitamos un elemento intermedio llamado variador o ESC, que proporciona una corriente trifásica al motor y que variará en frecuencia según una entrada de control para regular la velocidad del motor. Este variador es el que irá alimentado con la corriente continua de la batería.

VARIADOR

Como vemos, este variador es de 20 Amperios, suficiente para el motor que es de 15 A de carga máxima. Siempre hay que ir un poco holgados. También se lee que es para baterías LiPo de 2 a 4 elementos o de NiMH de 5 a 12 elementos.

La mayoría de los variadores incluyen un BEC, como el de la foto. El BEC proporciona una salida normalmente de 5V para alimentar la electrónica que se vaya a usar. En el caso de un modelo radiocontrolado alimentaría el receptor y los servos.

BATERÍA

Vamos con las baterías. La que voy a utilizar es 3S, o sea de tres celdas, y su tensión nominal es de 11,1V.

La tensión nominal de una celda LiPo es de 3,7V, por lo que si la batería tiene 3 celdas su tensión nominal será 3 x 3,7 = 11,1 V.

La tensión nominal de una celda es una media de los valores desde su carga completa hasta que se considera descargada. Una celda totalmente cargada tiene una tensión de 4,2V, por lo que una batería 3S llegará a tener 12,6 V. Esta tensión irá disminuyendo según se vaya descargando hasta acercarse a los 3V por celda. Las celdas LiPo nunca deben bajar de este valor, ya que por debajo de este voltaje, el polímero de litio de degrada y en la mayoría de los casos son irrecuperables o bajan drásticamente su rendimiento. Una celda a 3,5 voltios ya no debe seguir descargándose por seguridad. Se suelen conectar avisadores acústicos llamados salvalipos para prevenir esto.

Otra característica de estas baterías son las "C", que nos indican la corriente de descarga que soportan. Por ejemplo, si la batería es 20C, significa que la intensidad de corriente que puede proporcionar es la capacidad de la batería multiplicada por 20. Si la batería es de 1500 mAh, la intensidad máxima de descarga sería 30000 mA, o 30 Amperios. Si nos indican dos valores, se refieren a la máxima de forma continua y la de pico para un momento puntual.

Para cargar estas baterías necesitamos un cargador específico para lipos, o bien un cargador universal como este.

En este tipo de cargadores seleccionamos lo que queremos cargar, en este caso cargar una LiPo 3S de forma balanceada (controlando que todas las celdas carguen por igual) y de 1500 miliamperios.

Las baterías tienen un conector de balanceo, y sirve para que el cargador controle la carga de cada celda por separado para mantenerlas equilibradas y alargar la vida de la batería. También es donde se conectaría el salvalipos.

Bueno, pues para empezar la fabricación vamos ha hacer la "pista de aterrizaje" con un tablero de DM o contrachapado de 5mm.

Aplicamos un tapaporos y lijamos un poco con una lija de grano 500 o 600. Volvemos a aplicar tapaporos y cuando se seque lo pintamos de esta guisa.

El motor con la hélice tiene que estar "enjaulado" ya que este motor desarrolla bastante potencia y es peligroso. Encontré en una tienda cercana esta cesta con pinzas.

Y me vino la inspiración.

Esta es la hélice que he utilizado.

Hay que cortarla porque no cabe dentro de la jaula. Tiene que hacerse de forma precisa para que quede equilibrada y no vibre demasiado.

También pondremos una malla sujeta con bridas para terminar de cerrarlo.

Con dos bridas lo amarramos a la base. He hecho una pequeña cuña con foam para que quede horizontal, y dos agujeros en los laterales para introducir el alambre de acero que sujeta el avión.

Para hacer el avión usamos esta plantilla.

Plantilla en pdf

Está hecho con foam de 8 mm. y la cola es de 4 mm. aproximadamente. Se rebaja muy bien con lija, por lo que podemos rebajar un trocito para hacer la cola.

El fuselaje mide 17 cm, la envergadura del ala 22 cm, y la envergadura de cola 7 cm.

Al ala hay que darle esta forma para que se produzca el efecto de sustentación.

El avión va así sujeto de forma que pueda girar en torno al alambre. Con una hendidura en el fuselaje y dos puntas de brida pegadas en el tren de aterrizaje, como se ve en la foto.

Para controlar la velocidad vamos a usar un comprobador de servos. Este dispositivo genera la señal de control que normalmente saldría del receptor en un modelo radiocontrolado.