sábado, 20 de agosto de 2011

A volar II

Vimos en la entrada pasada el funcionamiento del ala como superficie de sustentación en un avión por efecto Bernoulli. Gracias a eso entendemos algunas cosas claves en la aviación, como por ejemplo el por que un avión requiere una cierta velocidad para volar. Pero cualquiera que haya visto el ala de un avión habrá notado que es mucho mas compleja que una simple superficie curva por arriba y plana por abajo, así que veamos algunos de los detalles incluidos en el ala.

Estructura de un avión, mostrando sus superficies de control.

Alerones.- Bíen, creo que estas son las superficies mas características en el ala de un avión. Son pequeñas secciones del borde trasero del ala que se pueden doblar hacia a rriba o abajo. Suelen estar situados en el extremo del ala. Algo importante es que los alerones actuan a la inversa de cada lado, digamos si los del ala izquierda suben, los del ala derecha bajan y viceversa.
Su función es la de ladear el avión haciendolo rotar sobre su eje longitudinal (frente-atras) por eso tiene que trabajar ala inversa. Cuando el piloto da vuelta al timon (el mismo movimiento que en un automovil), hacia la derecha digamos, el aleron del ala derecha sube, desviando el aire que pasa sobre él hacia arriba y bajando el ala derecha, mientras que el de la izquierda hace lo contrario. Luego veremos por que un piloto iva a querer ladear su avión.

Flaps.- Son como una especie de alerones que van en al parte mas interna del ala en el borde trasero. A diferencia de los alerones solo se pueden bajar y trabajan juntos los izquierdos y derechos. La función de los flaps es desviar hacia abajo, de forma que la fuerza de levante del ala se incrementa y en consecuencia el avión se mantenga en el aire a velocidades menores. Muchos aviones modernos pueden no solo bajar los flaps
Algunos aviones, sobre todos los mas pesados tienen de forma adicional, otro tipo de flap, los flaps frontales que constituyen el borde delantero del avión (también llamado borde de ataque) y se proyectan hacia adelante y abajo, estos actuan extendiando la superficie superrior del ala generando así mas fuerza de levante.


Avión con los "slats" extendidos, son como flaps pero van al frente.

Aero-frenos (Spoilers).- Son pequeñas porciones del ala, por lo general en la parte superior que se pueden levantar a discreción del piloto para ofrecer resistencia al aire y así frenar el avión.

Y mientras que no estan propiamente en las alas, otras partes del avión se han de considerar para entender su funcionamiento, las cuales son:

Elevadores o timones de profundidad.- Son las pequeñas "alitas" en la parte trasera del avion. Mientras que en los aviones antiguos y en algunos modelos pequeños el elevador es toda esa parte, en la mayoría es solo una pequeña sección (algunos modelos permiten el movimiento de toda la parte y tienen partes moviles adicionales). Los elevadores suben y bajan genrando una corriente de aire de sube o baja la nariz del avión, lo que permite controlar mejor el descenso y ascenso del mismo.

Timón de dirección.- Es lo que se concoe propiamente como la "cola" (estabilizador vertical) del avión y puede ladearse hacia un lado y al otro para hacer al avion dar vuelta.

Ahora, para entender la forma de controlar el avión, hemso de saber que el piloto puede controlar todo desde su asiento. Mientras que el timon se puede mover como el volante de un auto, rotando de derecha a izquierda, lo cual controla los alerones, el empujar o jalar el timón activaría la palanca de control (la estructura de sostiene al timon). Y la palanca de control activa los timones de profundidad. Es decir, empujar el timon hace subir la nariz del avión, jalarlo hace bajar la nariz. Mientras que el timon de dirección se activa con los pedales (cuando el avión esta en el suelo, los pedales funcionan como frenos y el timon cambia la dirección), así que pisar el pedal derecho, voltea el avión a la izquierda y viceversa.
Los flaps se activan ya sea con una palanca o un switch con varios niveles para elejir el angulo en el que bajan.

Adicionalmente los motores se controlan con palancas (una para cada motor) que funcionan como el acelerador de un automovil y estan colocadas justo entre el piloto y copiloto. La razón para esto es que así el piloto puede modificar la pontencia suministrada por cada motor de forma individual (esta es una forma adicional de controlar la dirección en caso de fallo del timon de dirección).

Así que veamos cuales serían a grandes razgos los pasos a seguir en un vuelo comercial. Sin contar con la extensa comunicación con los controladores de vuelo, sería aproxiamdamente asi:


Ala de avión con los flaps extendidos, muy probablemente al ir despegando.

Primero se colocaría el avion en posición de despege con los flaps retraidos y todas las superficies de control en su posición normal, en el momento de recibir la autorización de la torre de contol se aceleran los motores (muchas evces es al 80% de su potencia) para acelerar el avión y generar fuerza de sustentación en las alas, según el modelo habrá una velocidad en la que el capitan baje los flaps (estaban retraidos para no ofrecer resistencia al aire) para aumentar la sustentación y en el momento en que se iguales el peso del avión con la fuerza de sustentación el piloto jala un poco la palanca de control para elevar la nariz del avión. En este caso lo que pasa es que la fuerza de sustentación es mayor que el peso y es cuando el avión despega.
en cuanto se logra el despege es importante dejar el avión continue acelerando y por eso se retrae rapidamente el tren de aterrizaje (las rueditas) para que no ofrezcan mayor resistencia al aire.

La primer acción en vuelo es esperar a que se tenga la velocidad adecuada para guardar los flaps, así acelerará mas rápido. Sin embargo continuara inclinado hasta llegar a un nivel de vuelo (uno de los "caminos") asignado que es cuando el piloto paulatinamente ira empujando el timon para nivelar el avión (en la cabina tienen un aparatito llamado "horizonte artifical" que indica cuando el avión esta inclinado aunque sea muy poco) y en caso de que deseen subir o bajar lo harían general mente aumentando o disminuyendo un poco la velocidad.

En esas primera etapas de vuelo es cuando se apuntaría el avión al destino deseado (considerando la posible desviación por el viento). Para lograrlo, se deben mover, no solo el timon de dirección, sino también los de profundidad y los alerones. Esto es por que si solo se mueve el timon de dirección, los pasajeros sentiran una fuerza lateral muy incomoda por lo que el avión se ladea un poco usando los alerones de froma que la fuerza se sienta como un muy ligero incremento en al gravedad (cuando el piloto es bueno, nadie se da cuenta de las vueltas hasta que ve por la ventana) similar al efecto del peralte en las curvas de la carretera. Pero ladear el avion implica perder un poco de altura, por lo que se suben los timones de profundidad para subri un poco la nariz del avión y mantener la altura.


Ala del avión poco despues de tomar tierra, tanto los flaps como los "spoilers" o aero-frenos estan extendidos.

Luego al aterrizar es casi el proceso inverso que despegar, de nuevo usando los flaps para poder volar a menor velocidad y asi hacer el aterrizaje mas seguro ya que se necesita menos pista para frenar el avión. La unica diferencia es que al tocar pista y tener todo el tren de aterrizaje en el suelo se han de activar los aerofrenos para reducir la velocidad.

Bueno, la teoria (muy) básica del vuelo es sencilla, y claro que esto no es mas que una versión demasiado simplificada, en realidad se tienen que considerar corrientes, presión del aire, conmunicaciones, rutas pre-establecidas, leyes internacionales, etc, etc. Pero todo eso no lo veremos aquí :)


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lunes, 15 de agosto de 2011

A volar

Recuerdo que cuando era niño, una de mis tres grandes pasiones eran los aviones, o mejor dicho, las máquinas voladoras en general. Pero siempre que veía algun programa en televisión sobre aviones, o leía algo al respecto, era inevitable que se dedicara la mitad del tiempo al "anhelo histórico del hombre por volar", pero lo que yo quería era que me explicaran de una buena vez por todas cómo es que vuelan los aviones y sobre todo ¿que tienen de especiales las alas? Tenía muy claro que las alas eran fundamentales para que algo mas pesado que el aire vuele ya que tanto aves como aviónes las necesitaban, pero no sabía que era tan relevante al respecto.

Fluido apsando por una tubería donde el diametro varía. en las partes anchas el flujo es lento e implica alta presión en las paredes (mostrado por la altura que alcanza el fluido en el primer tubito vertical) mientras que en la parte angosta el flujo es mas rápido y no alcanza la misma altura (aun considerando la diferencia de diametros).

Así que hablare del vuelo, pero evitare todo el discurso del anhelo hsitorico del hombre y etc etc, en lugar de eso, ire directo al grano de lo que siempre quise saber de niño; las alas.

Para entender el funcionamiento de un ala, hemos de entender algo llamado principio de Bernoulli. Este principio físico, uno de los más usados dice que la presión ejercida por un fluido en moviemiento sobre las paredes laterales de algun recipiente que lo contenga sera menor cuanto mayor sea la velocidad del fluido y viceversa. Es decir, que si imaginamos un tubo por el cual pasa agua ( o aire, aceite, metano, horchata, gasolina o su fluido de preferencia) podríamos poner un sensor en la pared para medir la presion que ejerce dicho fluido sobre la pared y si aumentamos la velocidad del fluido esa presión bajará y lo contrario pasa al disminuir la velocidad. Un experimento que se puede hacer para ver este efecto es colocar una hoja de papel acostada sobre cuatro o cinco soportespequeño en una mesa, los soportes han de ser algo que amntenga a la hoja separada de la mesa sin interrumpir el flujo de aire bajo la hoja, use por ejemplo, borradores o pilas de monedas. Ya que tengan la hoja asi coloquen algo que impida que la hoja se mueva de un solo lado, por ejemplo un libro, ahora coloquensen en el lado opuesto del libro y soplen suave y uniformemente sobre la hoja de forma que el aire corre sobre la superficie sin empujar hacia arriba o abajo y vean como la hoja muestra una tendencia a subir, esto es por que el aire bajo la hoja ejerce mas presión que el que se mueve sobre la misma.


Modelo del ala de un avión, muestra como al curvatura de la parte superior obliga alire a recorrer mas distancia en el mismo tiempo que el aire en la parte inferior.

Bíen, resulta que la forma de las alas de los aviones logran este efecto. ¿Han ntoado la curvatura que tienen? Esta diseñada para que el ala sea curva pro arriba y plana por abajo, de esa forma el aire que corre sobre ella se debe acelerara para recorrer la mayor distancia que implica de la curvatura superior y así ejerce menos presión que el aire que se encuentra bajo el ala, por lo que se tiene una fuerza de empuje hacia arriba. Así que lo que mantiene el avioen en vuelo no es mas que el aire que pasas bajo el ala empujando hacia arriba y el que pasas por arriba jalando el ala.


Efecto de la diferencia de velocidades y presiones, con el efecto neto de tener una fuerza que va hacia arriba, opiendose al peso del ala y el avión.

Así entendemos la rzon de cada parte de avion, los motores empujan aire hacia atras forzando al avion a ir hacia adelante y mantener el flujo de aire, las alas generan una fuerza constante hacia arriba, los elevadores (las pequeñas "alitas" en la parte trasera del avion) bajan y suben la nariz del mismo (son como aletas) mientars que el timon (la "cola") lo desvia hacia la izquierda o derecha.


Foto de un avión, noten la curvatura en la parte superior del ala.

Claro el ala es mucho mas compleja, y recuerdo de niño pasar tanto tiempo como podía (en viajes y aeropuertos) viendo los alerones, flaps, frenos, antenas y cuanta cosa saliera de las alas. Pero eso ya lo dejaremos para la sigueinte entrada.



martes, 9 de agosto de 2011

Como una pluma

Entre las múltiples estructuras que han evolucionado en los seres vivos, pocas son tan especiales como las plumas de las aves. Esto se debe a dos cosas, la primera que son muy características de dicho grupo, su poseción es incluso parte de la defición de ave. Y la segunda es que son una estructura sumamente especializada.





Coelorusaurio, de los primeros dinosaurios emplumados.

La primer característica no causa mucho problema evolutivamente, ya que fue desición nuestra y por practicidad separa a todos los seres con plumas en un grupo aparte, noten que el requisito para ser ave es tener plumas y no volar. Pero el segundo, el hecho de que las plumas sean una estructura tan especializada, si plantea problemas para explicarlas evolutivamente.

En el caso de otras estructuras especializadas, como nuestras manos, hemos visto como evolucionaron partiendo de estructuras mas simples que tenias especies previas, las cuales con mutaciones sencillas se han ido adaptando y cumplen nuevas funciones. Pero este no es el caso de las plumas, ya que aparentan simplemente haber aparecido de forma abrupta. Para entender como es que han evolucionado veamos primero los tipo sde plumas que existen:
  • Filoplumas: son alargadas y constituidas por un unico cilindro, muy similares a pelos.
  • Plumón: son más pequeñas que las anteriores, tienen las barbas libres y su función es evitar las pérdidas de calor.
  • Tectrices: recubren todo el cuerpo y constituyen la superficie de protección del ave frente al clima (lluvia, etc).
  • Timoneras o rectrices: son las plumas que forman la cola, tiene estructura de filamentos formando un plano y son simétricas.
  • Remeras o rémiges: son las plumas del ala. Son similares a las timoneras pero su estructura es asimétrica (las plumas remeras están cubiertas en su base por unas plumas más cortas, dispuestas en series y denominadas coberteras).

Como vemos existen una variedad de tipos de plumas, cada cumple una función, pero lo mas relevante es que tienen diferentes grados de complejidad. Ahora veamos un poco acerca de las primeras especies con plumas. (A pesar de que no es mi intención escribir un trabalenguas para hacerles la vida difícil, mencionare todas las especies que recuerde, si no pueden seguir todo los nombres raros no se preocupen solo sigan la idea) Estas especies eran dinosaurios de la rama Coelorusauria la cuál primero de divide en el linaje de Albertosuarios, Tiranosaurios (sí, por mas ridículo que paresca, los tiranoasaurios tenían plumas) y la sub-rama Compsognatilda de las cuales la especie Sinosauropterix es un buen representante, estos animales estaban cubiertos de unos folículos muy similares a pelos, es decir unos cilindros formados de piel.

Ahora, formar estas estructuras cilíndricas no es muy complicado, básicamente solo se deja crecer la piel en lugares específicos mas de la cuenta, de esta manera no se tiene otra opción mas que crecer hacia afuera del cuerpo, y ya que el crecimiento es en un punto dado, se va formando un cilindro. Así que para que el Sinosauropterix forme sus raras estructuras basta con una simple mutación que modifique el crecimiento de las células de la piel.


Sinosauropteryx


Pero aparte del Sinosauropterix, sus especies hermanas, Compsognatusarios, Huaxiagnathusaurios y Juravenators tenían el mismo tipo de estructuras, muy similares a las Filoplumas. Luego evolucionaron en otra linea dos especies, los Ornitomimosaurios y los Maniraptorasaurios, de estos últimos, fueron descendientes los Ornitolestesaurios y la familia de los Alvarezsauridos. Entre este ultimo grupo están los Patagonykus, Mononykus y los Shuvuuia, los cuales tenias unas estructuras parecidas a las del Sinosauropterix, pero un poco mas complejas. No solo eran cilindros sino que aparte tenían ramificaciones mas delgadas que se extendían a todo lo largo del cilindro principal y se proyectaban a los lados. Lograr estas ramificaciones tampoco represento un problema muy grande, ya que bastó con otras mutación, una que acentuara el crecimiento de las células, no solo en un punto sino en un anillo que rodea a dicho punto, de esta forma se generará no solo un cilindro, sino un cilindro con zonas de alta y baja densidad, es decir, el cilindro tendra partes a todo lo largo que son mas densas y que consecuentemente se separarán del cilindro principal al alcanzar cierta longitud (similar a la fragmentación que sufren las puntas del cabello humano si se le deja ser muy largo). Entonces al fragmentarse se extenderán hacia afuera alejándose del cilindro principal y formarán la típica configuración conocida de las plumas, el cilindro a lo largo de la estructura y dos planos que se propagan a cada lado formados por filamentos mas delgados. Estos filamentos, a su vez, se fragmentan al alcanzar un tamaño determinado (menor que en el caso principal ya que son mas delgados) y así generan las pequeñas fibras que mantienen a la pluma unida.


Jinfengonpterix.

Sin embargo, estas plumas, aunque son buenas para controlar el flujo del aire por su forma plana y alargada no sirven para volar, ya que para generar sustentación como lo hacen las aves modernas se requiere de una pluma especial que es asimétrica, con uno de los planos laterales mas delgado y curvo que el otro, esto genera sustentación al variar la velocidad del aire sobre la superficie superior e inferior y así generar una fuerza que compense la gravedad (de hecho las alas de los aviones son una copia metálica de este tipo de plumas).


Shuvuuia, la coloración de las plumas de estas especies de deduce de los rastros químicos en los fósiles.

Después de la aparición de estos últimos dinosaurios, evolucionaron sus descendientes de la familia Oviraptosauria (los Caudipterix, Conchoraptors y Citipatis) y por otra rama, los Troodontidae y la familia Dromeosauridae (cuyos miembros son los Velociraptors y los Sinornitosaurios) junto a la cual aparecen los Archeopterix y Confusiosornis. Todas estas especies son de gran relevancia ya que tenían plumas grandes y prominentes. Ahora, apenas estamos comenzando a entender el papel de las plumas en estos dinosaurios y mientras que no tenian la capacidad de las aves modernas de volar de forma auto-propulsada, si tenian estas habilidades:

-Cambio de plumaje en función de la edad, los jóvenes y adultos tenían diferentes plumajes.
-Cambio en la coloración del plumaje según la parte del cuerpo, de forma muy similar a las aves modernas.
-Control del flujo del aire con las plumas.

Para muchos paleontologos las especies que se pueden considerar como las primeras aves son el Arqueopterix y el Sinornitosaurio. Ninguna de estas dos especies podían despegar del suelo tal como las aves actuales (las que vuelan al menos) pero si eran capaces de planear considerables distancias. Ademas tenian diferencias interesantes con las aves modernas, el Archeopteriz tenia cola de reptil, pero con plumas como las que tienen las aves modernas y el Sinornitosaurio tenia cuatro alas en lugar de dos (las patas traseras eran también "alas").


Esta es la verdadera apariencia de los Velociraptors, su tamaño era comparable con el de una gallina grande.

Así que podemos ver un par de cosas interesantes; en primer lugar, las primeras plumas fueron del tipo mas simple que tienen las aves actuales, es decir, la complejidad de las plumas que hoy se da conforme el ave madura fue evolucionando y apareciendo en especies subsecuentes, en segundo lugar, no existe una clara distinción entre aves y dinosaurios, ya que existieron especies que se consideran tanto dinosaurios como aves.


Confuciosornis. Si, esto es un dinosaurio.

Así que la evolución de las plumas acompaño a la de las aves y a su transformación apartir de los dinosaurios dando pasos hacia las nuevas variantes de las plaumas que eventualmente pasaron de ser simple aislante termico a controlar el flujo de aire (se piensa que eso les podría ayudar a dar repentinos aumetnos de velocidad al perseguir presas y empujar aire hacia atras) y eventualmente poder planear y luego volar.


Sinornitosaurio, noten las plumas en las patas traseras.

Y ya que en cierto sentido las actuales aves son dinosaurios, podemos alardear de comer caldo de dinosaurio, nuggets de dinosaurio, dinosaurio frito o asado e inclusive hamburgesas de dinosaurio.










lunes, 8 de agosto de 2011

Para ver si se educan.

Aqui les mando una pequeña noticia sobre la apertura del Curso Básico de Astronomía de la Universidad de Sonora. Este curso se puede tomar via internet, así que cualquiera de nuetsros lectores de GyF lo puede tomar.

"A partir de el día 5 de Agosto quedan abiertas las inscripciones para el ya tradicional Curso Básico de Astronomía impartido por el Área de Astronomía del Departamento de Investigación en Física. Este curso está dirigido tanto al público en general (de todas las edades), como a estudiantes. Impartido por miembros del Área de Astronomía, esta sería la edición número 34 desde que fue iniciado por el celebre astrónomo Antonio Sánchez-Ibarra.


Iniciando el Sábado 3 de Septiembre, el propósito del curso es dar un recorrido general por las áreas del conocimiento que se abarcan dentro de la astronomía moderna, y esta dividido en dos aspectos; la teoría y las prácticas de observación. En los aspectos teóricos del curso se cubrirán desde las historia de la astronomía a ciencias planetarias, galaxias, exobiología y conocimiento del cielo. Temas que se cubrirán en 11 clases. Mientras que las prácticas de observación se verán desde las bases del funcionamiento del telescopio hasta la toma de imágenes astronómicas. El horario y lugar de estas observaciones será acordado al iniciar el curso en acuerdo con las posibilidades del grupo.

Al estar orientado al publico en general y habiendo sido cursado por personas de todos los sectores de la sociedad el curso no tiene requisitos mas que la primaria terminada, tener mas de 12 años (sin límite de edad) y en especial el deseo de aprender sobre astronomía. El curso se imparte los sábados de 9 a 11 am en el la sala audiovisual Eduardo Hinojosa (edificio 3H) del Departamento de Investigación en Física de la UNISON y puede ser cursado de forma virtual vía internet desde cualquier lugar del mundo.

Para los estudiantes de la UNISON el curso cuenta con valor en créditos CULTUREST. El costo del curso es de $700 para estudiantes (de cualquier escuela o carrera) y $1000 para público en general, este pago se realizará en la oficinas del Área de Astronomía (edificio 3H) y a de ser cubierto para finalizar la inscripción (para los interesados en el curso de forma virtual el pago será por depósito bancario). Esto cubre el uso de equipo astronómico y material que les sera distribuido.

Al finalizar el curso se entregará una constancia por parte del Departamento de Investigación en Física a los alumnos inscritos que cumplan con el requisito de haber asistido a un mínimo de 9 clases teóricas y haber cumplido con 90% de las tareas encargadas. Para los alumnos de la UNISON interesados en acreditar los créditos CULTUREST esta constancia es mandatoria.

Para apartar un lugar, preguntar cualquier duda o preinscribirse de forma virtual basta mandar un correo electrónico a la dirección: ploera@astro.uson.mx con sus datos."