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Flexión y larguero

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Uno de los mayores esfuerzos que tiene que soportar un ala en vuelo es el de la flexión. Giros cerrados, loopings, despegues con goma o torno, son situaciones que van a exigir mucho al ala y por tanto tiene que ser resistente para soportarlos, además de ligera. En este artículo trataremos de optimizarlo, aclarando unos cuantos conceptos, de manera accesible.


El punto de partida es que el encargado de soportar los esfuerzos de flexión de ala es el larguero principial, por tanto hay que entender cómo funciona éste.

 

Viga en doble T

La viga en doble T es apliamente utilizada en la construcción (puentes y viaductos), ingeniería y también en aviación. En este concepto es en el que se basa la construcción del larguero del ala.

perfiles-ng-doble-t

Cuando esta viga está apoyada en sus extremos y se le aplica una carga puntual en el centro, ésta se deformará formando una U, algo muy parecido a la típica flexión de las alas.

flexion esq

Lo que ocurre dentro de la viga es que las fibras de la parte inferior trabajaran en tracción, mientras que las de la parte superior lo harán en compresión y en sentido longitudinal, a lo largo de la viga. En el centro no se darán estas fuerzas. Por tanto, estas fibras trabajarán mejor cuanto más alejadas estén del centro. Cuando las fuerzas de tensión, sobre todo, superan el límite del material, es cuando se produce la rotura.

De aquí ya se pueden sacar varias conclusiones que iremos analizando:

  • Interesa que las fibras superiores estén lo más separadas posible de las inferiores
  • Mejor cuanto mayor número de fibras haya en los extremos superior e inferior
  • La parte media, el alma, no tiene por qué ser del mismo material que el resto
  • La unión de todo el conjunto tiene que ser fuerte

flexion viga

En esta imagen de un programa que analiza piezas y estructuras, podemos ver una viga en doble T la cual está fijada por el extremo derecho, mientras que por el izquierdo se le ha aplicadouna fuerza que lo flexiona. Como se puede ver las tensiones del material son superiores en el lado más cercano al extremo fijo. Además estás tensiones son máximas en las caras superior e inferior, mientras que en la parte vertical de la viga, el alma llegan a ser nulas.


flexion ala

En esta otra imagen se ve cómo se distribuyen las tensiones en un ala, también fija en el extremo derecho y con una fuerza aplicada el el extremo izquierdo. Sería la situación de sujetar el ala por los marginales, levantando el modelo entero. En este caso el fuselaje estaría en el lado derecho y sólo se ha representado la semiala derecha. Se pueden ver las zonas del ala que están sometidas a mayores esfuerzos, la parte central y las zonas del extradós e intradós de mayor espesor, es ahí donde tendrá que estar situado el larguero para su máxima efectividad. Además, parte del recubrimieno también estaría trabajando.


Fibras superiores muy separadas de las inferiores

Si vamos a utilizar una sola varilla para reforzar un ala de foam, cuanto más gruesa, más resistencia dará. Si se va a utilizar una varilla rectangular habrá que colocarla en posición vertical.

Pero si aprovechamos todo el espesor que tiene el perfil, y cuanto más espesor más resistencia, podemos colocar dos varillas de menor diámetro que si utilizásemos una sola y para el caso de la sección rectangular, ahora la posición idónea sería tumbadas. Llegado el caso también sería válido colocar por el extradós e intradós cinta de fibra unidireccional a modo, ya que al laminarla se conertiría en una varilla de sección rectangular de gran ancho y poco alto, en posición tumbada, cumpliendo los objetivos.

P1030532


Anchura del larguero

Un larguero formado por dos varillas de sección rectangular de7x5mm, colocadas en posición vertical, tendrán 35mm2 cada una, pero si en vez de éstas montamos dos de 10x3mm en posición horizontal, tendremos 30mm2, existirá un menor número total de fibras pero habrá muchas más trabajando en las mejores condiciones, por tanto, con menos peso aumentaremos la resistencia.

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Larguero en velero real


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Larguero en velero rc Avionik F5B


Alma del larguero

No es necesario que el larguero sea carbono macizo, por ejemplo, la parte central no está sometida a esfuerzos de tracción o compresión, sólo a flexión, por tanto se pueden utilizar varillas huecas, rellenos de materiales más ligeros, como foam o balsa o utilizar una anchura inferior al ancho de las partes superior e inferior, también llamadas alas.

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Solidez de todo el conjunto

Dado que la parte superior trabajará (casi siempre) en compresión, se corre el riesgo de que se intente desprender de la parte media. Por eso en los F5J se enrolla todo el conjunto con hilo de Kevlar y en otras modalidades se envuelve con fibra y se lamina. Para alas con menos exigencias es conveniente esa parte media sea madera de contrachapado en vez del mismo foam, ya que el foam es un material de poca cohesión y podrían deslaminarse la parte superior del larguero.

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La cinta adhesiva con filamentos de fibra usanda en las Zagis, puede tener cierta resistencia a la tracción, pero no a la compresión ya que se arrugaría, dada su nula rigidez. Por tanto no aporta mucha resistencia y sí peso. De modo que queda restringida a pequeños modelos, de bajo alargamiento. Además el adhesivo que utilizan se ve muy afectado por los UV del sol, que lo reseca, llegando un momento en el cual ya no es funcional. En otras palabras, tiene fecha de caducidad, así que no será la solución idónea para un modelo que esté destibado a perdurar.


El larguero en el ala

Aunque en algunos modelos, sobre todo acrobáticos y entrenadores, es habitual levantar el modelo sólo sujetado de los marginales, en vuelo la sustentación se distribuye a lo largo del ala de una forma más o menos elíptica. La forma que hay para probar un larguero en un avión de contrucción amateur es colocándolo en invertido y distribuyendo cargas mayores en el centro que en los extremos.

WingLoad

Dado que el momento flexor, así se llama, es menor en los extremos que en el centro, el larguero no necesitará ser tan robusto en los marginales como en el centro del ala. Es habitual que la sección vaya disminuyendo según se acerca a estos. En el caso de la cinta de fibra, podrá tener forma trapezoidal, estrechándose hacia los marginales


Cálculo

Llegado este punto tendremos muchas ganas de calcular el larguero necesario para el modelo. Aquí empiezan los problemas, el más importante es que hacen falta datos y los datos correctos no son fáciles de conseguir, como por ejemplo los relativos a los materiales que estamos usando, ya que hay maderas de muchísimas clases y calidades, lo mismo que las fibras.

materiales

En este cuadro se muestran las propiedades de la madera de balsa. ¿Será la la misma que la que tenemos en nuestras manos?

Por otra parte está la solidez del conjunto no es lo mismo un larguero en el que estén simplemente pegadas sus tres partes, a que estén envueltas con hilo de kevlar o tubular de fibra, y ya no digamos si simplemente se trata de dos varillas pegadas directamente al foam. Por si esto no fuera poco también estarían las característcas de vuelo, los G´s máximos a los que se va a volar, etc.

Pero no nos desanimemos porque hay otra forma de obtener buenos resultados, que es basándonos en experiencias satisfactorias con modelos similares. Es decir, utilizar el mismo sistema de contrucción y materiales de otro modelo similar al que queremos contruir y que además tiene un tipo de vuelo muy parecido. De esta forma es muy difícil equivocarse.

Tampoco tenemos que buscar un ala que no flexe nada, al menos aparentemente, a menos que queramos contruir un avión acrobático, pues en veleros se trabaja con flexiones, algunas de ellas absolutamente sorprendentes.

 

Enchapado como larguero

Si las partes superior e inferior del larguero, las vamos ensanchando más y más, iremos aumentando la resistencia, si las ensanchamos hasta el punto en el que tienen la misma longitud que el perfil del ala y las curvamos, tendríamos el enchapado del ala. De esta forma, un buen enchapado puede hacer las veces de larguero. De hecho hay veleros RC de foam con alas enchapadas en madera que no llevan larguero, propiamente dicho. Más a menudo ocurre con aeromodelos tipo entrenador y acrobáticos, que tinen menor alargamiento. Un recubrimiento compuesto por múltiples capas de fibra de carbono y sin larguero es la técnica que emplea Alexis Marechal en veleros comerciales como por ejemplo el conocido Miraj.


Resistencia a la torsión

Si un largero bien diseñado y construido, será capaz de absorber todos los esfuerzos de flexión a los que se vea sometida el ala en vuelo, pero no servirá para soportar los esfuerzos de torsión de ésta. Veremos como resolverlo en el artículo sobre la torsión y recubrimiento.

Última actualización el Miércoles, 04 de Marzo de 2015 18:10  

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