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Sobre este curso
Este es el esquema de un curso gratuito de autoestudio escrito por Saving Planets. No es un curso universitario, no otorga créditos académicos y ninguna institución participa.
Su alcance sigue las introducciones de primer año a la ingeniería aeroespacial como MIT 16.00 y el inicio de Unified Engineering del MIT, los cursos introductorios de aeronáutica y astronáutica de Purdue, Georgia Tech y Embry-Riddle, y el libro clásico Introduction to Flight de John D. Anderson Jr. Enlazamos a materiales gratuitos en todo el curso, sobre todo a la Beginner’s Guide to Aeronautics de NASA Glenn. Ninguna de estas organizaciones respalda esta página.
Lo que aportamos: cada unidad se conecta con un vuelo más limpio y con las naves que observan nuestro planeta, cada número de la página se recalcula con un script de verificación antes de publicarse, y cuatro prácticas, entre ellas un túnel de viento virtual y un planeador que construyes, hacen reales las ecuaciones.
Síguelo en orden. Cada unidad tiene objetivos, ideas clave, ecuaciones, ejemplos paso a paso, práctica con respuestas completas, errores comunes, tarjetas de estudio y un cuestionario. Tu progreso se guarda solo en este navegador.
Cómo ayuda este curso a salvar el planeta
La ingeniería aeroespacial construye los satélites que miden el clima, los bosques, el hielo y los océanos de la Tierra, y también tiene que reducir su propia huella: cada kilogramo de combustible de aviación quemado produce unos 3.16 kg de CO₂.
Cada unidad termina con una sección breve y con fuentes que muestra cómo sus ideas ayudan a las personas y al planeta.
Antes de empezar
Requisitos previos
- Álgebra y trigonometría de secundaria; logaritmos y exponenciales.
- La mecánica de Física I (fuerzas, energía, cantidad de movimiento, movimiento circular) ayuda; cúrsala en paralelo si puedes.
- Cálculo I es útil para algunas deducciones, pero no es necesario para los números.
Cómo estudiar
- Usa unidades SI en todo momento y escríbelas en cada línea.
- Dibuja las fuerzas (sustentación, peso, empuje, resistencia) antes de escribir cualquier ecuación.
- Estima primero; los números aeroespaciales tienen tamaños conocidos (aire a nivel del mar ≈ 1.2 kg/m³, órbita baja ≈ 7.7 km/s).
- Resuelve cada ejercicio en papel antes de abrir la respuesta.
- Usa los simuladores de NASA Glenn para comprobar tu intuición.
- Repite los cuestionarios unos días después. La práctica espaciada es mejor que una sesión larga.
Material de laboratorio (para los laboratorios presenciales)
- Una computadora con navegador web y hoja de cálculo (FoilSim funciona en el navegador).
- Para la práctica del planeador: cartulina o cartón pluma, una regla, tijeras, plastilina o monedas como lastre en la nariz y una cinta métrica.
- Opcional: el cronómetro de un teléfono.
Calendario sugerido de 15 semanas
Unas 6 a 9 horas por semana: lectura, problemas de práctica y, en las semanas de laboratorio, el laboratorio.
| Semana | Unidad | Temas | Lectura |
|---|---|---|---|
| 1 | Historia del vuelo y el proceso de diseño | Historia del vuelo; el proceso de diseño; las cuatro fuerzas | MIT 16.00; Smithsonian |
| 2 | La atmósfera | Atmósfera estándar; velocidad del sonido | NASA Glenn: atmósfera |
| 3 | Aerodinámica básica: sustentación y resistencia | Ecuaciones de sustentación y resistencia; Bernoulli | NASA Glenn: sustentación y resistencia |
| 4 | Aerodinámica básica: sustentación y resistencia | Número de Reynolds y velocidad de pérdida; Práctica D | FAA PHAK |
| 5 | Perfiles aerodinámicos y alas | Perfiles, curva de sustentación, alas finitas; Práctica A | NASA FoilSim |
| 6 | Actuaciones de aeronaves | Planeo, potencia necesaria, ascenso | NASA Glenn: ángulo de planeo |
| 7 | Actuaciones de aeronaves | Alcance y autonomía; práctica para el parcial | FAA PHAK |
| 8 | Estabilidad y control | Estabilidad y control; Práctica C | NASA Glenn: rotaciones |
| 9 | Fundamentos de propulsión | Propulsión: reactores, ventiladores y hélices | NASA Glenn: propulsión |
| 10 | Cohetes y la ecuación del cohete | Empuje de cohetes y la ecuación del cohete | NASA Glenn: cohetes |
| 11 | Cohetes y la ecuación del cohete | Etapas y vehículos de lanzamiento; Práctica B | NASA Glenn: cohetes |
| 12 | Órbitas y misiones espaciales | Órbitas, leyes de Kepler, órbita geoestacionaria | JPL Basics of Space Flight |
| 13 | Órbitas y misiones espaciales | Transferencias de Hohmann y diseño de misiones | JPL Basics of Space Flight |
| 14 | Aviación y espacio sostenibles | Aviación y espacio sostenibles | NASA; EPA; DOE |
| 15 | Repaso | Repaso y serie de práctica final | Todas las unidades |
Tu progreso
Marca las unidades y los laboratorios al terminarlos y haz los cuestionarios. El progreso y las puntuaciones se guardan solo en este navegador y nunca se nos envían.
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Unidad 1 · Semana 1
Historia del vuelo y el proceso de diseño
De los hermanos Wright a Artemis: cómo los ingenieros aeroespaciales convierten una misión en requisitos, compromisos y un diseño que vuela.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Resumir los hitos clave de la aviación y el vuelo espacial.
- Describir el ciclo de diseño: requisitos, concepto, diseño preliminar y detallado, pruebas.
- Explicar los estudios de compromiso y por qué el peso lo condiciona todo.
- Nombrar las cuatro fuerzas del vuelo.
Conceptos clave
- El 17 de diciembre de 1903, el Wright Flyer hizo un vuelo de 12 segundos que recorrió 36 m (120 ft); el mejor vuelo de ese día recorrió 260 m (852 ft) en 59 segundos. Los Wright lo lograron probando: construyeron planeadores y su propio túnel de viento antes de añadir un motor.
- Todo diseño empieza con una misión: carga útil, alcance u órbita, costo, seguridad. Los requisitos convierten la misión en números que el diseño debe cumplir.
- El diseño es iterativo: boceto del concepto, dimensionamiento, análisis, prueba, rediseño. Un estudio de compromiso compara opciones con criterios ponderados.
- Sobre un avión actúan cuatro fuerzas: sustentación, peso, empuje y resistencia. En vuelo recto y nivelado estable, sustentación = peso y empuje = resistencia.
- El peso se acumula: más estructura exige más sustentación, un ala más grande, más resistencia, más combustible y otra vez más peso.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 1.1 Una avioneta de 1100 kg vuela en crucero nivelado. ¿Cuánta sustentación debe producir su ala?
Ver los pasos
- Vuelo nivelado: L = W = mg.
- L = 1,100 × 9.81.
Respuesta: 10,791 N ≈ 10.8 kN.
Ejemplo 1.2 Dos conceptos de ala se califican sobre 10 en costo (peso 0.3), eficiencia (0.5) y facilidad de construcción (0.2). El concepto A obtiene 8, 6, 9; B obtiene 5, 9, 6. ¿Cuál gana?
Ver los pasos
- A: 0.3(8) + 0.5(6) + 0.2(9) = 7.2.
- B: 0.3(5) + 0.5(9) + 0.2(6) = 7.2.
Respuesta: Empate en 7.2: el equipo debería probar ambos o revisar las ponderaciones en las que menos confía.
Ejemplo 1.3 El primer vuelo del Wright Flyer recorrió 36 m en 12 s. ¿Cuál fue su velocidad media respecto al suelo?
Ver los pasos
- v = 36/12.
Respuesta: 3 m/s respecto al suelo. Volaba contra un fuerte viento de frente, así que su velocidad aerodinámica era mucho mayor.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Un avión de pasajeros de 70000 kg de masa vuela en crucero nivelado. Halla su sustentación.
Ver la respuesta
L = 70,000 × 9.81 = 686,700 N ≈ 687 kN.
En crucero nivelado, los motores de un avión dan 30 kN de empuje. ¿Cuál es su resistencia?
Ver la respuesta
30 kN, ya que el empuje equilibra la resistencia en vuelo estable.
¿Por qué los hermanos Wright construyeron un túnel de viento?
Ver la respuesta
Los datos publicados de sustentación no eran fiables, así que midieron ellos mismos muchas formas de ala: probar antes de construir es el corazón del proceso de diseño.
Ideas erróneas comunes
Mito: Los ingenieros diseñan primero el avión y luego le buscan una misión.
En realidad: La misión y sus requisitos van primero.
Mito: En vuelo nivelado el empuje debe equilibrar el peso.
En realidad: El empuje equilibra la resistencia; la sustentación equilibra el peso.
Mito: Ahorrar un poco de peso solo ahorra ese peso.
En realidad: El ahorro de peso se multiplica a través del tamaño del ala, la resistencia y el combustible.
Tarjetas de estudio
Cuatro fuerzas
Sustentación, peso, empuje, resistencia.
Requisitos
Objetivos medibles que un diseño debe cumplir.
Estudio de compromiso
Comparación ponderada de opciones de diseño.
Ciclo de diseño
Concepto → preliminar → diseño detallado → prueba → iteración.
Wright Flyer
Primeros vuelos propulsados y controlados de un avión, 17 dic. 1903.
Espiral del peso
El peso extra hace crecer todo el diseño.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Las prioridades de diseño cambian con los tiempos. Los requisitos de los aviones nuevos ahora incluyen el consumo de combustible y las emisiones, así que las mismas herramientas de estudio de compromiso ponderan el clima junto con el costo y el rendimiento.
La NASA enumera tres vías principales para que la aviación sea sostenible: tecnología aeronáutica eficiente, combustible de aviación sostenible y mejores operaciones e infraestructura.
En Saving Planets: Artemis II
Fuentes: Smithsonian: el Wright Flyer de 1903 · NASA: aviación sostenible
Recursos de aprendizaje gratuitos
- Smithsonian: el Wright Flyer de 1903: La historia y las especificaciones del Wright Flyer.
- MIT OpenCourseWare 16.00: Introduction to Aerospace Engineering and Design: El curso introductorio del MIT centrado en el diseño.
- NASA Glenn: Beginner’s Guide to Aeronautics: Empieza aquí para cada tema.
Unidad 2 · Semana 2
La atmósfera
El aire por el que vuela un avión: cómo cambian con la altitud la temperatura, la presión, la densidad y la velocidad del sonido.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Usar un modelo de atmósfera estándar para hallar T, p y ρ en altitud.
- Aplicar la ley de los gases ideales al aire.
- Calcular la velocidad del sonido y el número de Mach.
- Explicar por qué los aviones de pasajeros vuelan en crucero cerca de 11 km.
Conceptos clave
- Una atmósfera estándar es un modelo promedio ajustado a mediciones. En el modelo de la NASA la troposfera va desde el suelo hasta 11000 m, y la temperatura baja unos 6.5 °C por kilómetro.
- De 11 a 25 km (baja estratosfera) la temperatura del modelo es constante en −56.46 °C, mientras la presión sigue bajando exponencialmente.
- La densidad se obtiene de la ley de los gases ideales, ρ = p/(RT). A 11 km el aire tiene cerca del 30% de la densidad a nivel del mar.
- La velocidad del sonido es a = √(γRT), así que solo depende de la temperatura. Número de Mach M = V/a.
- Un aire menos denso implica menos resistencia a una velocidad dada, por eso los reactores vuelan alto, pero las alas y los motores aún necesitan suficiente aire para funcionar.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 2.1 Halla T, p y ρ a 5000 m con el modelo de la NASA.
Ver los pasos
- T = 15.04 − 0.00649 × 5,000 = −17.41 °C.
- p = 101.29 × (255.69/288.08)^5.256 = 54.11 kPa.
- ρ = 54.11/(0.2869 × 255.69).
Respuesta: T ≈ −17.4 °C, p ≈ 54.1 kPa, ρ ≈ 0.738 kg/m³ (60% del nivel del mar).
Ejemplo 2.2 Halla la velocidad del sonido a nivel del mar (15 °C) y a 11 km (−56.5 °C).
Ver los pasos
- a = √(1.4 × 287 × 288.15) = 340.3 m/s.
- a = √(1.4 × 287 × 216.65) = 295.0 m/s.
Respuesta: 340 m/s y 295 m/s.
Ejemplo 2.3 Un avión de pasajeros vuela a 230 m/s de velocidad verdadera a 11 km. ¿Cuál es su número de Mach?
Ver los pasos
- M = 230/295.0.
Respuesta: M ≈ 0.78.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Halla la densidad del aire a 11000 m con el modelo de la NASA (T = −56.46 °C, p = 22.72 kPa).
Ver la respuesta
ρ = 22.72/(0.2869 × 216.64) ≈ 0.366 kg/m³, cerca del 30% del nivel del mar.
Halla la temperatura a 1500 m en el modelo de la NASA.
Ver la respuesta
T = 15.04 − 9.74 = 5.3 °C.
¿Cuánto es Mach 2 a nivel del mar en m/s?
Ver la respuesta
2 × 340 = 680 m/s.
Halla la densidad a nivel del mar a partir de p = 101.40 kPa y T = 15.04 °C.
Ver la respuesta
ρ = 101.40/(0.2869 × 288.14) ≈ 1.227 kg/m³.
Ideas erróneas comunes
Mito: La velocidad del sonido depende de la presión.
En realidad: En un gas ideal solo depende de la temperatura.
Mito: Hace cada vez más frío a medida que se sube.
En realidad: La temperatura se estabiliza por encima de 11 km y vuelve a subir más arriba en la estratosfera.
Mito: Un aire menos denso siempre ayuda.
En realidad: Reduce la resistencia pero también la sustentación y el empuje de los motores, así que las alas deben volar más rápido o con coeficientes de sustentación más altos.
Tarjetas de estudio
Atmósfera estándar
Modelo promedio de T, p, ρ según la altitud.
Troposfera
Del suelo a ~11 km; la temperatura baja con la altura.
Gradiente térmico
≈ 6.5 °C por km en la troposfera.
Ley de los gases ideales
p = ρRT.
Velocidad del sonido
a = √(γRT).
Número de Mach
M = V/a.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Los aviones vuelan donde ocurren el tiempo y el clima. La NASA estudia las emisiones de los aviones con modelos informáticos, ensayos de combustión en laboratorio y pruebas de vuelo, porque lo que los motores liberan en altitud importa para la atmósfera.
La misma física atmosférica permite que los satélites conviertan la radiación que miden en perfiles de temperatura del aire.
En Saving Planets: Resistencia atmosférica
Fuentes: NASA Glenn: Earth atmosphere model (metric) · NASA: aviación sostenible
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: Earth atmosphere model (metric): El modelo y las ecuaciones que se usan en esta unidad.
- FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge: Capítulos gratuitos del manual de la FAA sobre la atmósfera y la aerodinámica.
Unidad 3 · Semanas 3–4
Aerodinámica básica: sustentación y resistencia
De dónde vienen la sustentación y la resistencia, y las dos ecuaciones que dimensionan toda ala: L = ½ρV²SC_L y D = ½ρV²SC_D.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Explicar la sustentación como resultado de desviar un flujo, con diferencias de presión descritas por la ecuación de Bernoulli.
- Usar las ecuaciones de sustentación y resistencia.
- Calcular la presión dinámica, la velocidad de pérdida y el número de Reynolds.
- Distinguir la resistencia de fricción, de presión e inducida.
Conceptos clave
- Un ala desvía el flujo de aire hacia abajo; por la tercera ley de Newton, el aire empuja el ala hacia arriba. De forma equivalente, un flujo más rápido por encima implica menor presión allí (Bernoulli). Ambas describen un mismo flujo.
- La presión dinámica q = ½ρV² fija la escala de toda fuerza aerodinámica. Los coeficientes de sustentación y resistencia C_L y C_D recogen la forma y el ángulo de ataque.
- La sustentación crece con V², así que reducir la velocidad a la mitad exige cuatro veces más coeficiente de sustentación o superficie alar.
- La resistencia proviene de la fricción superficial, la resistencia de presión (de forma) y la resistencia inducida, el costo de generar sustentación con un ala finita.
- El número de Reynolds Re = ρVc/μ compara los efectos inerciales y viscosos; los modelos de túnel de viento deben tenerlo en cuenta para predecir el comportamiento a escala real.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 3.1 Un avión de 1100 kg con un ala de 16.2 m² vuela nivelado a 55 m/s a nivel del mar (ρ = 1.227 kg/m³). Halla C_L.
Ver los pasos
- L = W = 10,791 N.
- q = ½ × 1.227 × 55² = 1,855 Pa.
- C_L = 10,791/(1,855 × 16.2).
Respuesta: C_L ≈ 0.36.
Ejemplo 3.2 Con C_L,max = 1.6, halla la velocidad de pérdida de este avión a nivel del mar.
Ver los pasos
- V_s = √(2W/(ρSC_L,max)).
- = √(2 × 10,791/(1.227 × 16.2 × 1.6)).
Respuesta: V_s ≈ 26.1 m/s (unos 51 nudos).
Ejemplo 3.3 Halla el número de Reynolds de una cuerda de 1.5 m a 55 m/s a nivel del mar (μ = 1.789 × 10⁻⁵ kg/(m·s)).
Ver los pasos
- Re = 1.227 × 55 × 1.5/(1.789 × 10⁻⁵).
Respuesta: Re ≈ 5.7 millones.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Si la velocidad se duplica con el mismo C_L, ¿cómo cambia la sustentación?
Ver la respuesta
Sustentación ∝ V², así que se cuadruplica.
Halla la presión dinámica a 230 m/s a 11 km (ρ = 0.366 kg/m³).
Ver la respuesta
q = ½ × 0.366 × 230² ≈ 9,680 Pa.
Halla la resistencia del avión del ejemplo 3.1 si C_D = 0.032.
Ver la respuesta
D = 1,855 × 16.2 × 0.032 ≈ 962 N.
¿Cuánto mayor es la velocidad de pérdida a 1500 m (ρ = 1.060 kg/m³) que a nivel del mar?
Ver la respuesta
V_s ∝ 1/√ρ: √(1.227/1.060) = 1.076, así que cerca de un 7.6% mayor (≈ 28.0 m/s de velocidad verdadera).
Ideas erróneas comunes
Mito: El aire que pasa por arriba debe encontrarse con el de abajo en el borde de salida (tiempo de tránsito igual).
En realidad: No es así; el flujo superior en realidad llega primero. NASA Glenn incluye el tránsito igual entre las teorías incorrectas de la sustentación.
Mito: La sustentación es solo Bernoulli, o solo Newton.
En realidad: Ambas describen el mismo flujo; las diferencias de presión y la desviación del flujo van juntas.
Mito: La resistencia es solo fricción con el aire.
En realidad: La resistencia de presión y la inducida suelen ser mayores.
Tarjetas de estudio
Presión dinámica
q = ½ρV².
Ecuación de sustentación
L = qSC_L.
Ecuación de resistencia
D = qSC_D.
Velocidad de pérdida
V_s = √(2W/(ρSC_L,max)).
Número de Reynolds
ρVc/μ.
Resistencia inducida
Resistencia debida a la sustentación en un ala finita.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
La resistencia es combustible. En crucero, el empuje de los motores es igual a la resistencia, así que cada newton de resistencia eliminado es combustible que no se quema y CO₂ que no se emite. Necesitar menos energía para volar es la primera de las tres vías de la NASA hacia una aviación sostenible.
La misma física de la sustentación mueve las palas de los aerogeneradores, que convierten la fuerza aerodinámica del viento en electricidad limpia.
En Saving Planets: Física I
Fuentes: NASA Glenn: la ecuación de resistencia · NASA: aviación sostenible
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: la ecuación de sustentación: Ecuación y coeficientes de sustentación.
- NASA Glenn: la ecuación de resistencia: Ecuación de resistencia.
- NASA Glenn: la ecuación de Bernoulli: Presión y velocidad.
- NASA Glenn: Bernoulli y Newton: Por qué la explicación del tránsito igual es incorrecta.
Unidad 4 · Semana 5
Perfiles aerodinámicos y alas
Geometría de los perfiles, curva de sustentación, pérdida y por qué las alas largas y esbeltas generan menos resistencia.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Nombrar la geometría de un perfil: cuerda, curvatura, espesor, ángulo de ataque.
- Usar la teoría del perfil delgado: c_l ≈ 2πα.
- Corregir la pendiente de sustentación para un ala finita de alargamiento AR.
- Usar la polar de resistencia C_D = C_D0 + C_L²/(πeAR) para hallar la mejor relación sustentación-resistencia.
Conceptos clave
- Un perfil aerodinámico es la sección transversal de un ala. La curvatura le permite generar sustentación con ángulo de ataque cero; el espesor aporta resistencia estructural y espacio para combustible.
- La teoría del perfil delgado predice una pendiente de sustentación de 2π por radián (unos 0.11 por grado) hasta que el flujo se desprende y el ala entra en pérdida.
- Un ala finita pierde pendiente de sustentación por sus vórtices de punta: a = a₀/(1 + a₀/(πeAR)), con alargamiento AR = b²/S.
- Resistencia total C_D = C_D0 + KC_L² con K = 1/(πeAR). El L/D máximo se da cuando la resistencia inducida iguala a la parásita.
- Un alargamiento alto (planeadores, albatros, alas de aviones de pasajeros modernos) implica menos resistencia inducida y mayor L/D.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 4.1 Teoría del perfil delgado: halla c_l con α = 5°.
Ver los pasos
- α = 5π/180 = 0.0873 rad.
- c_l = 2π × 0.0873.
Respuesta: c_l ≈ 0.548.
Ejemplo 4.2 Halla la pendiente de sustentación de un ala con AR = 8 y e = 0.9.
Ver los pasos
- a = 2π/(1 + 2π/(π × 0.9 × 8)) = 6.283/1.278.
Respuesta: 4.92 por rad ≈ 0.086 por grado, un 22% por debajo del valor 2D.
Ejemplo 4.3 Con C_D0 = 0.025, e = 0.8 y AR = 7.5, halla (L/D)max y el C_L en que ocurre.
Ver los pasos
- K = 1/(π × 0.8 × 7.5) = 0.0531.
- (L/D)max = 1/(2√(0.025 × 0.0531)).
- C_L* = √(0.025/0.0531).
Respuesta: (L/D)max ≈ 13.7 con C_L ≈ 0.69.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Halla el alargamiento de un ala de 11 m de envergadura y 16.2 m² de superficie.
Ver la respuesta
AR = 121/16.2 ≈ 7.5.
Con c_l = 2πα, ¿qué ángulo da c_l = 0.5?
Ver la respuesta
α = 0.5/(2π) = 0.0796 rad ≈ 4.6°.
Para el avión del ejemplo 4.3, halla C_D con C_L = 0.36.
Ver la respuesta
C_D = 0.025 + 0.0531 × 0.1296 ≈ 0.0319.
Si AR sube de 7.5 a 15 (mismos e y C_D0), ¿cómo cambia (L/D)max?
Ver la respuesta
K se reduce a la mitad, así que (L/D)max crece en √2 hasta ≈ 19.4.
Ideas erróneas comunes
Mito: Más ángulo de ataque siempre significa más sustentación.
En realidad: Pasado el ángulo de pérdida, el flujo se desprende y la sustentación cae.
Mito: Los perfiles simétricos no pueden generar sustentación.
En realidad: La generan con un ángulo de ataque positivo.
Mito: Los dispositivos de punta de ala eliminan la resistencia inducida.
En realidad: La reducen; solo un ala infinitamente larga no tendría ninguna.
Tarjetas de estudio
Cuerda
Del borde de ataque al borde de salida.
Curvatura
Curvatura de la línea media.
Ángulo de ataque
Ángulo entre la cuerda y el flujo incidente.
Pérdida
Desprendimiento del flujo; la sustentación cae.
Alargamiento
b²/S.
Polar de resistencia
C_D = C_D0 + KC_L².
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Las alas largas y esbeltas son una de las formas más directas de reducir el consumo de combustible, porque la resistencia inducida baja al aumentar el alargamiento. Esa es justamente la vía de la «tecnología aeronáutica eficiente» en el trabajo de la NASA sobre aviación sostenible.
El albatros, que planea durante horas sobre el océano, usa la misma física: un ala larga y delgada con una alta relación sustentación-resistencia.
En Saving Planets: Cálculo II
Fuentes: NASA Glenn: coeficiente de resistencia inducida · NASA: aviación sostenible
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: FoilSim: Explora la curvatura, el espesor y el ángulo de ataque.
- NASA Glenn: coeficiente de resistencia inducida: Alargamiento y factor de eficiencia.
- MIT OpenCourseWare 16.01–16.04: Unified Engineering: Las clases de fluidos del MIT.
Unidad 5 · Semanas 6–7
Actuaciones de aeronaves
Cuán lejos, cuánto tiempo, qué tan rápido y con qué pendiente: planeo, ascenso, alcance y autonomía.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Relacionar la relación de planeo con L/D.
- Hallar el empuje y la potencia necesarios en vuelo nivelado.
- Calcular la tasa de ascenso a partir del exceso de potencia.
- Usar la ecuación de alcance de Breguet.
Conceptos clave
- Un planeador con relación sustentación-resistencia L/D avanza L/D metros por cada metro de altura perdido: tan γ = D/L.
- El empuje necesario en vuelo nivelado es igual a la resistencia; la potencia necesaria es resistencia × velocidad. El exceso de potencia se convierte en ascenso: tasa de ascenso = (P_avail − P_req)/W.
- Para un reactor, el alcance sigue la ecuación de Breguet: R = (V/c)(L/D) ln(W_i/W_f). Tres palancas: la eficiencia del motor (V/c), la aerodinámica (L/D) y las estructuras (fracción de peso).
- La autonomía (tiempo en el aire) se maximiza a una velocidad distinta de la del alcance.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 5.1 Un velero con L/D = 20 está a 1000 m de altura. ¿Hasta dónde puede planear en aire en calma y con qué ángulo?
Ver los pasos
- Distancia = 1000 × 20.
- γ = arctan(1/20).
Respuesta: 20 km, con un ángulo de planeo de unos 2.9°.
Ejemplo 5.2 Un reactor vuela en crucero a 230 m/s con L/D = 17 y un consumo específico c = 0.6 por hora. Al quemar combustible su peso baja de W_i a W_i/1.25. Halla su alcance.
Ver los pasos
- c = 0.6/3,600 = 1.667 × 10⁻⁴ s⁻¹.
- R = (230/1.667 × 10⁻⁴) × 17 × ln 1.25.
Respuesta: ≈ 5,235 km.
Ejemplo 5.3 El avión del ejemplo 3.1, con la polar del ejemplo 4.3, tiene unos 957 N de resistencia a 55 m/s. ¿Qué potencia exige el vuelo nivelado?
Ver los pasos
- P = DV = 957 × 55.
Respuesta: ≈ 52.6 kW (unos 71 hp).
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Un planeador de papel tiene L/D = 5. Lanzado horizontalmente desde 2 m, ¿hasta dónde planea aproximadamente?
Ver la respuesta
10 m.
Un avión que pesa 10800 N tiene 30 kW de exceso de potencia. Halla su tasa de ascenso.
Ver la respuesta
30,000/10,800 ≈ 2.8 m/s.
En el ejemplo 5.2, ¿cómo cambia el alcance si L/D sube de 17 a 20?
Ver la respuesta
Alcance ∝ L/D: 5235 × 20/17 ≈ 6159 km.
¿Hasta dónde puede planear el avión del ejemplo 4.3 desde 1500 m con su mejor L/D de 13.7?
Ver la respuesta
1,500 × 13.7 ≈ 20.6 km.
Ideas erróneas comunes
Mito: Un planeador más pesado planea más lejos.
En realidad: La relación de planeo depende de L/D, no del peso; el peso cambia la velocidad óptima.
Mito: El alcance solo depende de la carga de combustible.
En realidad: Depende de la eficiencia del motor, de L/D y de la fracción de peso (Breguet).
Mito: Volar más rápido siempre da más alcance.
En realidad: El mejor alcance se logra a una velocidad moderada ligada al mejor L/D.
Tarjetas de estudio
Relación de planeo
Distancia horizontal por unidad de altura = L/D.
Potencia necesaria
P_R = DV.
Tasa de ascenso
(P_A − P_R)/W.
Alcance de Breguet
R = (V/c)(L/D) ln(W_i/W_f).
TSFC
Flujo de combustible por unidad de empuje.
Autonomía
Tiempo en el aire.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
La ecuación de Breguet es la ecuación climática de la aviación: para un viaje dado, el combustible quemado baja cuando los motores son más eficientes, las alas tienen mayor L/D o las estructuras son más ligeras. Con los demás términos fijos, el alcance es proporcional a L/D.
La NASA estima que, con la flota y las operaciones actuales, el tráfico aéreo mundial en 2050 necesitaría más de 620 millones de toneladas de combustible y emitiría cerca de 2000 millones de toneladas de CO₂; por eso importa cada término de la ecuación.
En Saving Planets: CO2M: medir el CO₂ desde el espacio
Fuentes: NASA: aviación sostenible · FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: ángulo de planeo: Vuelo de planeo.
- FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge: Capítulo sobre rendimiento de aeronaves.
- NASA Glenn: relación empuje-peso: Empuje, peso y ascenso.
Unidad 6 · Semana 8
Estabilidad y control
Por qué un avión bien diseñado vuelve solo al vuelo estable, y cómo lo controlan los pilotos y las computadoras.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Nombrar los tres ejes, cabeceo, alabeo y guiñada, y sus superficies de control.
- Explicar la estabilidad estática y dinámica.
- Ubicar el centro de gravedad y el punto neutro; calcular el margen estático.
- Explicar por qué la cola estabiliza un avión.
Conceptos clave
- Un avión gira alrededor de su centro de gravedad: cabeceo (timón de profundidad), alabeo (alerones), guiñada (timón de dirección).
- Estabilidad estática: tras una perturbación, el avión tiende inicialmente a volver. Estabilidad dinámica: el movimiento realmente se amortigua con el tiempo.
- La estabilidad en cabeceo exige que el centro de gravedad esté delante del punto neutro. El margen estático = (x_np − x_cg)/c̄ debe ser positivo.
- Una cola muy detrás del CG funciona como las plumas de una flecha: una perturbación de nariz arriba aumenta la sustentación de la cola y vuelve a bajar la nariz.
- Demasiada estabilidad vuelve al avión lento de respuesta y cuesta resistencia de compensación; algunos cazas modernos se diseñan inestables y los vuela una computadora.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 6.1 El punto neutro está al 40% de la cuerda media y el CG al 25%. Halla el margen estático.
Ver los pasos
- SM = 0.40 − 0.25.
Respuesta: 0.15, o sea 15%: estable.
Ejemplo 6.2 Un planeador tiene un ala de 50 g en x = 10 cm, una cola de 10 g en x = 40 cm y 20 g de lastre en la nariz en x = 0. Halla el CG.
Ver los pasos
- Σmx = 50(10) + 10(40) + 20(0) = 900 g·cm.
- Σm = 80 g.
Respuesta: x_cg = 11.25 cm desde la nariz.
Ejemplo 6.3 Para el planeador del ejemplo 6.2 (cuerda media 8 cm), el punto neutro está a 13 cm. ¿Es estable?
Ver los pasos
- SM = (13 − 11.25)/8.
Respuesta: SM ≈ 0.22: estable. Si quitas el lastre de la nariz, el CG se desplaza hacia atrás, hacia la inestabilidad.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
¿Qué superficie controla el cabeceo?
Ver la respuesta
El timón de profundidad, en la cola horizontal.
CG al 30% de la cuerda, punto neutro al 28%. ¿Es estable?
Ver la respuesta
SM = −0.02 < 0: estáticamente inestable.
En el ejemplo 6.2, ¿qué lastre m en la nariz coloca el CG a 12 cm?
Ver la respuesta
900/(60 + m) = 12 da m = 15 g.
¿Por qué un avión de papel sin lastre en la nariz encabrita y entra en pérdida?
Ver la respuesta
Su CG está demasiado atrás, cerca o detrás del punto neutro.
Ideas erróneas comunes
Mito: Estáticamente estable significa que la oscilación se amortigua.
En realidad: Eso es estabilidad dinámica; la estabilidad estática es la tendencia inicial.
Mito: Más estabilidad siempre es mejor.
En realidad: Demasiada hace pesados los mandos y desperdicia resistencia de compensación.
Mito: El CG puede estar en cualquier lugar mientras el ala sustente.
En realidad: Un CG retrasado hace inestable al avión.
Tarjetas de estudio
Cabeceo / alabeo / guiñada
Profundidad / alerones / dirección.
Estabilidad estática
Tendencia inicial a volver.
Estabilidad dinámica
La perturbación se amortigua con el tiempo.
Punto neutro
Posición del CG para una estabilidad neutra en cabeceo.
Margen estático
(x_np − x_cg)/c̄.
Compensación (trim)
Equilibrado, momento neto nulo.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Los márgenes de estabilidad cuestan combustible: una cola convencional suele empujar hacia abajo para equilibrar el avión, y el ala debe generar sustentación extra, con resistencia extra, para compensarlo. Reducir esa penalización forma parte de la vía del avión eficiente que describe la NASA.
Las mismas ideas de equilibrio y control mantienen a los satélites de observación de la Tierra apuntando de forma estable para que sus instrumentos puedan cartografiar el planeta.
En Saving Planets: Guía de órbitas
Fuentes: NASA Glenn: rotaciones del avión · NASA: aviación sostenible
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: rotaciones del avión: Cabeceo, alabeo y guiñada.
- FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge: Capítulos sobre estabilidad y mandos de vuelo.
Unidad 7 · Semana 9
Fundamentos de propulsión
Cómo las hélices, los reactores y los cohetes generan empuje lanzando masa hacia atrás, y por qué los reactores más grandes y lentos son más eficientes.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Usar la ecuación de empuje por cantidad de movimiento.
- Calcular el rendimiento propulsivo.
- Comparar turborreactores, turbofanes y hélices.
- Definir el impulso específico y el consumo específico de combustible.
Conceptos clave
- Todo motor genera empuje acelerando un flujo de masa: F = ṁ(v_e − v₀) para un motor aerobio (despreciando la masa de combustible y los términos de presión).
- Rendimiento propulsivo η_p = 2/(1 + v_e/v₀): mover mucho aire un poco es más eficiente que mover poco aire mucho. Por eso los turbofanes tienen ventiladores enormes.
- Turborreactor: todo el aire pasa por el núcleo. Turbofán: la mayor parte del aire rodea el núcleo a través del ventilador. Turbohélice: una hélice movida por una turbina de gas.
- El impulso específico I_sp = F/(ṁ_fuel g₀) mide el empuje por flujo de peso de combustible, en segundos.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 7.1 Un turbofán mueve 500 kg/s de aire de 250 m/s a 320 m/s. Halla el empuje y el rendimiento propulsivo.
Ver los pasos
- F = 500 × 70 = 35,000 N.
- η_p = 2/(1 + 320/250) = 2/2.28.
Respuesta: F = 35 kN, η_p ≈ 0.88.
Ejemplo 7.2 Un turborreactor genera los mismos 35 kN con 100 kg/s de aire a v₀ = 250 m/s. ¿Qué velocidad de salida necesita y cuánto vale η_p?
Ver los pasos
- v_e = 250 + 35,000/100 = 600 m/s.
- η_p = 2/(1 + 2.4).
Respuesta: v_e = 600 m/s, η_p ≈ 0.59: mucho menos eficiente.
Ejemplo 7.3 Un motor genera 100 kN quemando 2.5 kg/s de combustible. Halla su I_sp.
Ver los pasos
- I_sp = 100,000/(2.5 × 9.80665).
Respuesta: ≈ 4079 s. Los motores aerobios superan a los cohetes en esta medida porque no llevan su oxidante.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Halla el empuje para ṁ = 200 kg/s, v₀ = 200 m/s, v_e = 300 m/s.
Ver la respuesta
20 kN.
Halla η_p cuando v_e = v₀.
Ver la respuesta
1.0, pero el empuje es cero: rendimiento y empuje se compensan.
¿Por qué los aviones de pasajeros usan turbofanes de alto índice de derivación?
Ver la respuesta
Mueven lentamente una gran masa de aire, lo que eleva el rendimiento propulsivo y reduce el consumo y el ruido.
Ideas erróneas comunes
Mito: Los reactores empujan contra el aire que tienen detrás.
En realidad: Aceleran el aire a través del motor; la reacción a eso es el empuje.
Mito: Una salida más rápida siempre significa un motor mejor.
En realidad: Para la eficiencia, la velocidad de salida debe estar cerca de la velocidad de vuelo.
Mito: El impulso específico es una velocidad.
En realidad: Se mide en segundos; I_sp × g₀ es una velocidad de salida efectiva.
Tarjetas de estudio
Empuje por cantidad de movimiento
F = ṁ(v_e − v₀).
Rendimiento propulsivo
2/(1 + v_e/v₀).
Turbofán
Ventilador más núcleo; la mayor parte del aire lo rodea.
Índice de derivación
Aire derivado ÷ aire del núcleo.
Impulso específico
F/(ṁ g₀), en segundos.
TSFC
Flujo de combustible por unidad de empuje.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Un mayor rendimiento propulsivo es un ahorro directo de combustible y de CO₂. Cada kilogramo de combustible de aviación quemado produce unos 3.16 kg de CO₂ (el carbono del combustible combinado con oxígeno del aire; ver la unidad 10), así que las mejoras de eficiencia se acumulan durante las décadas de servicio de un motor.
El combustible de aviación sostenible, fabricado con residuos y biomasa, se mezcla para igualar las propiedades del combustible de aviación convencional y garantizar una operación segura. La NASA señala que el SAF no libera CO₂ nuevo al ambiente.
En Saving Planets: Química General I
Fuentes: NASA: aviación sostenible · U.S. DOE: combustibles de aviación sostenibles
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: relación empuje-peso: Motores y empuje.
- NASA Glenn: impulso específico: Eficiencia de cohetes y reactores.
- MIT OpenCourseWare 16.01–16.04: Unified Engineering: Clases de propulsión del MIT.
Unidad 8 · Semanas 10–11
Cohetes y la ecuación del cohete
Por qué es tan difícil llegar a la órbita: la ecuación del cohete de Tsiolkovski, las relaciones de masa y las etapas.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Use Δv = I_sp g₀ ln(m₀/m_f).
- Calcular las relaciones de masa necesarias.
- Explicar por qué funcionan las etapas.
- Calcular la relación empuje-peso de un cohete.
Conceptos clave
- Un cohete lleva todo su propulsante, combustible y oxidante. Su empuje es F = ṁv_e + (p_e − p_a)A_e.
- La ecuación ideal del cohete: Δv = v_e ln(m₀/m_f), con v_e = I_sp g₀. La velocidad solo crece con el logaritmo de la relación de masa.
- Llegar a la órbita terrestre baja requiere unos 9.4 km/s de Δv al incluir las pérdidas por gravedad y resistencia, así que la mayor parte de la masa de un vehículo de lanzamiento es propulsante.
- Las etapas sueltan tanques y motores vacíos para que las etapas siguientes no carguen peso muerto.
- La relación empuje-peso debe superar 1 para despegar.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 8.1 Un motor con I_sp = 450 s funciona hasta que m₀/m_f = 5. Halla Δv.
Ver los pasos
- v_e = 450 × 9.80665 = 4,413 m/s.
- Δv = 4,413 × ln 5.
Respuesta: ≈ 7,102 m/s.
Ejemplo 8.2 ¿Qué relación de masa necesita una sola etapa para 9.4 km/s con I_sp = 300 s? ¿Y con 450 s?
Ver los pasos
- 300 s: e^(9,400/2,942) = e^3.195.
- 450 s: e^(9,400/4,413) = e^2.130.
Respuesta: ≈ 24.4 frente a ≈ 8.4: cerca del 96% frente al 88% del cohete debe ser propulsante.
Ejemplo 8.3 Un cohete de dos etapas: cada etapa tiene I_sp = 300 s y relación de masa 4. Halla el Δv total.
Ver los pasos
- Cada etapa: 2942 × ln 4 = 4078 m/s.
- Suma las etapas.
Respuesta: ≈ 8157 m/s, el doble de lo que da una sola etapa con relación de masa 4.
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Halla Δv para I_sp = 311 s y m₀/m_f = 3.
Ver la respuesta
311 × 9.80665 × ln 3 ≈ 3,351 m/s.
Un cohete de 500000 kg tiene 7.5 MN de empuje. Halla T/W al despegar.
Ver la respuesta
7.5 × 10⁶/(500,000 × 9.81) ≈ 1.53.
¿Qué I_sp da Δv = 3000 m/s con relación de masa 2?
Ver la respuesta
3,000/(9.80665 × ln 2) ≈ 441 s.
Ideas erróneas comunes
Mito: Los cohetes empujan contra el aire.
En realidad: Funcionan mejor en el vacío; empujan sobre sus propios gases de escape.
Mito: El doble de propulsante, el doble de Δv.
En realidad: Δv crece con el logaritmo de la relación de masa.
Mito: La órbita solo necesita 7.7 km/s de Δv.
En realidad: Las pérdidas por gravedad y resistencia elevan el total a unos 9.4 km/s.
Tarjetas de estudio
Ecuación del cohete
Δv = I_sp g₀ ln(m₀/m_f).
Relación de masa
m₀/m_f.
Etapas
Soltar las etapas agotadas.
Empuje-peso
Debe superar 1 al despegar.
Δv hasta LEO
≈ 9.4 km/s incluidas las pérdidas.
I_sp
Segundos de empuje por peso de propulsante.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Cada satélite de observación de la Tierra, desde Landsat hasta las misiones que siguen el nivel del mar y los gases de efecto invernadero, viaja en un cohete dimensionado con esta ecuación. Por eso cada kilogramo de instrumento es valioso y los satélites se construyen para ser ligeros.
Nuestra calculadora de Delta-v te permite hacer los mismos cálculos para misiones reales.
En Saving Planets: Calculadora de delta-v · Landsat 9
Fuentes: NASA Glenn: ecuación ideal del cohete · NASA Glenn: ecuación de empuje del cohete
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA Glenn: ecuación ideal del cohete: Deducción y uso.
- NASA Glenn: ecuación de empuje del cohete: Empuje de presión y de cantidad de movimiento.
- NASA Glenn: impulso específico: Comparación de propulsantes.
Unidad 9 · Semanas 12–13
Órbitas y misiones espaciales
Órbitas circulares y elípticas, periodos, órbita geoestacionaria y la transferencia de Hohmann, además de cómo las misiones de observación de la Tierra eligen sus órbitas.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Calcular la velocidad y el periodo de una órbita circular.
- Hallar el radio geoestacionario.
- Calcular el Δv y el tiempo de una transferencia de Hohmann.
- Describir las órbitas terrestres comunes y sus usos.
Conceptos clave
- En una órbita circular la gravedad aporta la fuerza centrípeta: v = √(μ/r), con μ = GM.
- Tercera ley de Kepler: T = 2π√(a³/μ). Las órbitas más altas son más lentas y tardan más.
- Una órbita geoestacionaria tiene un periodo de un día sideral (86164 s) y se sitúa sobre el ecuador a un radio de unos 42164 km.
- Una transferencia de Hohmann usa dos encendidos a lo largo de una elipse que toca ambas órbitas circulares; es la transferencia de dos encendidos más eficiente entre órbitas circulares coplanares.
- La órbita terrestre baja (unos 400 km para la ISS), las órbitas polares heliosíncronas para obtener imágenes y la órbita geoestacionaria para la meteorología sirven a misiones distintas.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 9.1 Halla la velocidad y el periodo de una órbita circular a 400 km de altura.
Ver los pasos
- r = 6,771 km.
- v = √(3.986 × 10¹⁴/6.771 × 10⁶) = 7,673 m/s.
- T = 2π√(r³/μ) = 5,545 s.
Respuesta: 7.67 km/s y ≈ 92.4 minutos.
Ejemplo 9.2 Hallar el radio geoestacionario.
Ver los pasos
- r = (μT²/4π²)^(1/3) con T = 86164 s.
Respuesta: ≈ 42164 km del centro de la Tierra (unos 35786 km sobre el ecuador).
Ejemplo 9.3 Halla el Δv de Hohmann desde una órbita circular de 300 km hasta el radio geoestacionario.
Ver los pasos
- r₁ = 6,671 km, r₂ = 42,164 km.
- Δv₁ = 2,428 m/s; Δv₂ = 1,468 m/s.
- Tiempo de transferencia = la mitad del periodo de la elipse de transferencia.
Respuesta: Total ≈ 3.90 km/s; transferencia ≈ 5.27 horas (sin cambio de plano).
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Halla v para una órbita circular con r = 7000 km.
Ver la respuesta
√(3.986 × 10¹⁴/7 × 10⁶) ≈ 7,546 m/s.
Si el radio de la órbita se cuadruplica, ¿cómo cambia el periodo?
Ver la respuesta
T ∝ r^(3/2): 8 veces más largo.
¿Por qué muchos satélites meteorológicos son geoestacionarios?
Ver la respuesta
Permanecen sobre un mismo punto y pueden obtener imágenes del mismo hemisferio de forma continua.
Ideas erróneas comunes
Mito: Los astronautas flotan porque en órbita no hay gravedad.
En realidad: A 400 km la gravedad es cerca del 89% de su valor en la superficie; están en caída libre.
Mito: Para alcanzar una nave que va delante, basta con acelerar.
En realidad: Acelerar eleva tu órbita y reduce tu velocidad angular.
Mito: Las órbitas más altas necesitan más velocidad.
En realidad: La velocidad circular disminuye con la altura, aunque llegar a órbitas más altas exige más Δv total.
Tarjetas de estudio
Velocidad circular
√(μ/r).
Tercera ley de Kepler
T = 2π√(a³/μ).
Vis-viva
v² = μ(2/r − 1/a).
Transferencia de Hohmann
Transferencia elíptica de dos encendidos.
GEO
Periodo = 1 día sideral; r ≈ 42164 km.
Órbita heliosíncrona
Órbita casi polar que pasa sobre cada lugar a aproximadamente la misma hora local.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
El seguimiento del clima depende de la elección de la órbita. Las órbitas heliosíncronas permiten a Landsat fotografiar el mismo lugar con una iluminación parecida, para que destaquen los cambios en bosques, cultivos y hielo, mientras los satélites meteorológicos geoestacionarios observan de forma continua cómo se forman las tormentas.
Las órbitas también requieren cuidado: los desechos amenazan estas misiones, así que cada vez más naves se diseñan para ser retiradas al final de su vida útil.
En Saving Planets: Guía de órbitas · Calculadora de velocidad orbital · Calculadora de período orbital
Fuentes: NASA JPL: Basics of Space Flight · Ficha de la NASA sobre la Tierra (en inglés)
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA JPL: Basics of Space Flight: La introducción gratuita de NASA JPL a las órbitas y las misiones.
- Física I, Unidad 7: gravitación y órbitas: Nuestra unidad de órbitas.
Unidad 10 · Semana 14
Aviación y espacio sostenibles
Todo junto: la física de reducir el impacto climático de la aviación, desde aviones eficientes hasta combustibles sostenibles y nuevas fuentes de energía, y de mantener el espacio utilizable.
Objetivos de aprendizaje
Al terminar esta unidad podrás:
- Calcular el CO₂ del combustible quemado.
- Usar la ecuación de Breguet para comparar mejoras de eficiencia.
- Explicar el papel y los límites del combustible de aviación sostenible, las baterías y el hidrógeno.
- Describir la sostenibilidad espacial: desechos y retiro.
Conceptos clave
- Quemar un kilogramo de combustible de aviación tipo queroseno produce unos 3.16 kg de CO₂, una cifra fijada por la química. Las únicas formas de reducirlo son quemar menos combustible o usar combustible cuyo carbono haya salido recientemente del aire.
- La EPA informa que los aviones cubiertos por su norma de gases de efecto invernadero representan el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte en EE. UU. y el 3% del total del país.
- Las tres vías de la NASA: tecnología aeronáutica eficiente, combustible de aviación sostenible y mejores operaciones e infraestructura.
- Las baterías actuales almacenan mucha menos energía por kilogramo que el combustible de aviación, así que los aviones eléctricos sirven para vuelos cortos y pequeños; el hidrógeno almacena mucha energía por kilogramo pero necesita tanques grandes.
- La sostenibilidad espacial consiste en planificar el retiro para que las órbitas útiles sigan disponibles para los satélites que vigilan la Tierra.
Ecuaciones clave
Ejemplos resueltos paso a paso
Ejemplo 10.1 ¿De dónde sale 3.16? Modela el combustible de aviación como C₁₂H₂₃ y halla los kg de CO₂ por kg de combustible.
Ver los pasos
- Masa molar: 12(12.011) + 23(1.008) = 167.3 g/mol.
- 12 CO₂ por molécula: 12 × 44.01 = 528.1 g.
- 528.1/167.3.
Respuesta: ≈ 3.16 kg de CO₂ por kg de combustible.
Ejemplo 10.2 La NASA estima 620 millones de toneladas de combustible en 2050 con la eficiencia actual. ¿Cuánto CO₂ es eso?
Ver los pasos
- 620 × 3.16.
Respuesta: ≈ 1959 millones de toneladas, en línea con las «cerca de 2000 megatoneladas» de la NASA.
Ejemplo 10.3 Un vuelo quema 20 t de combustible. Una nueva ala eleva L/D de 17 a 19. Estima el combustible y el CO₂ ahorrados.
Ver los pasos
- Combustible ≈ 20 × 17/19 = 17.9 t.
- Combustible ahorrado ≈ 2.1 t; × 3.16.
Respuesta: ≈ 2.1 t de combustible y ≈ 6.7 t de CO₂ por vuelo (estimación simplificada).
Problemas de práctica
Resuelve cada uno primero en papel y luego comprueba.
Un vuelo quema 5000 kg de combustible. ¿Cuánto CO₂ produce?
Ver la respuesta
≈ 15,800 kg.
Si los motores se vuelven un 15% más eficientes en combustible, ¿en cuánto bajan aproximadamente las emisiones de CO₂ por viaje?
Ver la respuesta
Cerca de un 15%, ya que el CO₂ es proporcional al combustible quemado.
¿Por qué las baterías actuales no pueden impulsar aviones de largo recorrido?
Ver la respuesta
Su energía por kilogramo está muy por debajo de la del combustible de aviación, y el compromiso de Breguet hace muy costoso el peso extra.
Ideas erróneas comunes
Mito: El combustible de aviación sostenible no emite CO₂ al quemarse.
En realidad: Emite CO₂ como el combustible convencional; la ventaja es que su carbono salió recientemente del aire, así que las emisiones de ciclo de vida son menores.
Mito: Los aviones eléctricos pronto reemplazarán a todos los reactores.
En realidad: La densidad energética de las baterías los limita, por ahora, a vuelos cortos y pequeños.
Mito: El espacio es demasiado grande para contaminarse.
En realidad: Los desechos en las órbitas más usadas son un peligro real.
Tarjetas de estudio
CO₂ por kg de combustible
≈ 3.16 kg.
SAF
Combustible de aviación sostenible hecho con residuos y biomasa.
Tres vías
Aviones eficientes, SAF, operaciones.
Densidad energética
Energía por kg; baterías ≪ combustible de aviación.
Desechos espaciales
Objetos inservibles que amenazan las órbitas útiles.
Emisiones de ciclo de vida
Todas las emisiones, desde la producción del combustible hasta su uso.
Cuestionario de autoevaluación
Cómo ayuda esto a salvar el planeta
Esta unidad es el vínculo completo del curso con el planeta: cada ecuación de las unidades 3–7 es una palanca sobre el consumo de combustible, y el consumo de combustible es CO₂. Los ingenieros que saben hacer estos cálculos diseñan los aviones más limpios hacia los que trabajan la NASA y la industria.
La EPA informa que los aviones cubiertos por su norma producen el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte en EE. UU., y la NASA señala que EE. UU. se comprometió en 2021 a lograr emisiones netas cero de gases de efecto invernadero en la aviación para 2050.
En Saving Planets: CO2M: medir el CO₂ desde el espacio · Calculadora de delta-v
Fuentes: NASA: aviación sostenible · EPA: emisiones de gases de efecto invernadero de los aviones
Recursos de aprendizaje gratuitos
- NASA: aviación sostenible: Panorama y objetivos de la NASA.
- EPA: emisiones de gases de efecto invernadero de los aviones: Normas de emisiones y datos de EE. UU.
- U.S. DOE: combustibles de aviación sostenibles: Cómo se fabrica el SAF.
Prácticas
Cuatro prácticas ponen el curso en acción: un túnel de viento virtual con FoilSim de la NASA, una calculadora de la ecuación del cohete, un planeador que diseñas y haces volar, y una hoja de cálculo de atmósfera y velocidad de pérdida.
Los datos de ejemplo están señalados como tales. Tus propias mediciones serán distintas, y explicar por qué es parte de la práctica.
Referencia de seguridad: FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge
Práctica A: túnel de viento virtual con NASA FoilSim
Semana 5
Objetivo: Medir la curva de sustentación de un perfil en FoilSim y compararla con la teoría del perfil delgado.
Procedimiento
- Abre FoilSim y elige un perfil simétrico (curvatura cero) de un 12% de espesor.
- Anota el coeficiente de sustentación en α = 0°, 2°, 4°, 6° y 8°.
- Añade una columna con 2πα y compara. Luego añade curvatura y repite.
- Aumenta α hasta que FoilSim avise de la pérdida; anota el ángulo.
Tabla de datos
| α (grados) | Teoría c_l = 2πα |
|---|---|
| 0 | 0.000 |
| 2 | 0.219 |
| 4 | 0.439 |
| 6 | 0.658 |
| 8 | 0.877 |
Valores teóricos calculados. Tus lecturas de FoilSim diferirán algo; explica por qué (espesor, supuestos del modelo).
Cálculo de ejemplo
- 2π × (4π/180) = 0.439.
- Pendiente teórica: 0.110 por grado. Un ala finita con AR = 8 y e = 0.9 mostraría solo unos 0.086 por grado (unidad 4).
Seguridad
- Ninguna más allá del uso normal de una computadora.
Alternativa en casa o virtual
- Funciona en un navegador web.
Vínculo con el planeta: Las pruebas en túnel de viento, reales y virtuales, son la forma en que los diseñadores encuentran alas de baja resistencia que queman menos combustible. NASA: aviación sostenible
Práctica B: calculadora de la ecuación del cohete
Semana 11
Objetivo: Construir una hoja de cálculo que dé Δv a partir de I_sp y la relación de masa, y usarla para dimensionar un cohete de dos etapas.
Procedimiento
- Columnas: I_sp, m₀, m_f, relación de masa, Δv.
- Rellena filas para I_sp = 300 s y 450 s con relaciones de masa 2, 4 y 8.
- Añade una hoja de dos etapas: Δv total = suma de las etapas. Halla relaciones de masa por etapa que lleguen a 9.4 km/s.
- Comprueba un resultado con nuestra calculadora de Delta-v.
Tabla de datos
| I_sp (s) | Relación de masa | Δv (m/s) |
|---|---|---|
| 300 | 2 | 2,039 |
| 300 | 4 | 4,078 |
| 300 | 8 | 6,118 |
| 450 | 4 | 6,118 |
| 450 | 8 | 9,177 |
Valores calculados (ideal: sin pérdidas por gravedad ni resistencia).
Cálculo de ejemplo
- 300 × 9.80665 × ln 2 = 2,039 m/s.
- Cada vez que se duplica la relación de masa se suman los mismos 2039 m/s a 300 s: el logaritmo en acción.
- Dos etapas a 300 s, cada una con relación de masa 5, dan 2 × 4735 = 9470 m/s, justo por encima de 9.4 km/s.
Seguridad
- Ninguna más allá del uso normal de una computadora. No construyas ni hagas volar motores cohete sin supervisión capacitada y permiso local.
Alternativa en casa o virtual
- Basta con una hoja de cálculo.
Calculadora de Delta-v de Saving Planets · NASA Glenn: ecuación ideal del cohete
Vínculo con el planeta: Cada kilogramo ahorrado en un satélite climático reduce el cohete necesario para lanzarlo. NASA Glenn: ecuación ideal del cohete
Práctica C: diseña, construye y haz volar un planeador
Semana 8
Objetivo: Diseñar un planeador de cartulina o espuma, ajustar su CG para un margen estático positivo y luego medir su relación de planeo.
Procedimiento
- Dibuja un diseño: elige una envergadura y una cuerda que den un alargamiento entre 5 y 8, una cola de alrededor del 20% de la superficie del ala y un palito como fuselaje.
- Constrúyelo. Encuentra el CG equilibrándolo sobre un dedo; añade lastre en la nariz hasta que el CG quede a un 25% de la cuerda por detrás del borde de ataque del ala.
- Lánzalo suavemente y nivelado desde una altura medida, en aire en calma, al menos cinco veces; anota cada distancia.
- Calcula L/D. Luego desplaza el CG hacia atrás en pasos pequeños y anota qué ocurre.
Tabla de datos
| Ensayo | Altura (m) | Distancia (m) |
|---|---|---|
| 1 | 2.0 | 9.6 |
| 2 | 2.0 | 10.4 |
| 3 | 2.0 | 10.0 |
| Media | 2.0 | 10.0 |
Datos de ejemplo para practicar, no un resultado medido.
Cálculo de ejemplo
- L/D medio ≈ 10.0/2.0 = 5.0.
- Ángulo de planeo = arctan(1/5) ≈ 11.3°.
- Resultado típico: con el CG demasiado atrás, el planeador encabrita y entra en pérdida (margen estático negativo); demasiado adelante, pica.
Seguridad
- Corta en dirección opuesta a tu cuerpo; un adulto debe manejar cualquier cúter.
- Hazlo volar lejos de la cara de las personas, en un espacio abierto.
Alternativa en casa o virtual
- Cartulina, cinta adhesiva y una moneda como lastre en la nariz funcionan bien.
Vínculo con el planeta: Los planeadores muestran hasta dónde puede llevarte una buena aerodinámica por sí sola, sin nada de combustible.
Práctica D: hoja de cálculo de atmósfera y velocidad de pérdida
Semana 4
Objetivo: Implementar el modelo atmosférico de la NASA y ver cómo la altitud cambia la densidad, la velocidad del sonido y la velocidad de pérdida.
Procedimiento
- Implementa los ajustes de la NASA para la troposfera y la baja estratosfera de 0 a 12 km en pasos de 1 km.
- Calcula ρ, a y V_s para W = 10791 N, S = 16.2 m², C_L,max = 1.6.
- Grafica ρ/ρ₀ y V_s en función de la altitud.
Tabla de datos
| Altitud (m) | ρ (kg/m³) | V_s (m/s) |
|---|---|---|
| 0 | 1.227 | 26.1 |
| 5,000 | 0.738 | 33.6 |
| 10,000 | 0.414 | 44.8 |
Calculado con el modelo de la NASA.
Cálculo de ejemplo
- At 5,000 m: √(2 × 10,791/(0.738 × 16.2 × 1.6)) = 33.6 m/s.
- V_s crece como 1/√ρ: a 10 km es 1.72 veces su valor a nivel del mar.
Seguridad
- Ninguna más allá del uso normal de una computadora.
Alternativa en casa o virtual
- Basta con una hoja de cálculo.
NASA Glenn: Earth atmosphere model (metric)
Vínculo con el planeta: La física de la atmósfera estándar también sustenta cómo los satélites miden el aire.
Series de práctica para exámenes
Cronométrate: unos 10 minutos por problema. Luego compara con las soluciones completas.
Ejercicios de práctica para el parcial (unidades 1–5)
Halla ρ a 5000 m con el modelo de la NASA.
Ver la solución completa
- T = −17.41 °C; p = 54.11 kPa.
- ρ = 54.11/(0.2869 × 255.69).
Respuesta: ≈ 0.738 kg/m³.
Un avión de 1100 kg (S = 16.2 m², C_L,max = 1.6): halla su velocidad de pérdida a 5000 m.
Ver la solución completa
- V_s = √(2 × 10,791/(0.738 × 16.2 × 1.6)).
Respuesta: ≈ 33.6 m/s.
Halla (L/D)max para C_D0 = 0.025, e = 0.8, AR = 7.5.
Ver la solución completa
- K = 0.0531; (L/D)max = 1/(2√(C_D0 K)).
Respuesta: ≈ 13.7.
Un planeador con L/D = 13.7 parte a 1500 m de altura. ¿Qué distancia puede planear?
Ver la solución completa
- 1,500 × 13.7.
Respuesta: ≈ 20.6 km.
Serie de práctica final (todas las unidades)
Halla el margen estático para x_np = 0.40c̄ y x_cg = 0.25c̄.
Ver la solución completa
- 0.40 − 0.25.
Respuesta: 0.15 (estable).
Un motor acelera 500 kg/s de aire de 250 a 320 m/s. Halla el empuje y η_p.
Ver la solución completa
- F = 500 × 70; η_p = 2/(1 + 1.28).
Respuesta: 35 kN; ≈ 0.88.
Halla Δv para I_sp = 450 s y relación de masa 5.
Ver la solución completa
- 4,413 × ln 5.
Respuesta: ≈ 7,102 m/s.
Halla el periodo de una órbita circular a 400 km de altura.
Ver la solución completa
- T = 2π√(r³/μ) con r = 6.771 × 10⁶ m.
Respuesta: ≈ 92.4 min.
Halla el Δv de Hohmann desde una órbita de 300 km hasta el radio geoestacionario.
Ver la solución completa
- Δv₁ = 2,428 m/s; Δv₂ = 1,468 m/s.
Respuesta: ≈ 3.90 km/s.
Un vuelo quema 20 t de combustible. ¿Cuánto CO₂?
Ver la solución completa
- 20 × 3.16.
Respuesta: ≈ 63 t.
Hoja de fórmulas
Constantes
| Constante | Valor |
|---|---|
| Gravedad estándar g₀ | 9.80665 m/s² |
| Densidad del aire a nivel del mar (modelo NASA) | 1.23 kg/m³ |
| Presión a nivel del mar (modelo NASA) | 101.3 kPa |
| Velocidad del sonido, nivel del mar (15 °C) | 340 m/s |
| Constante de los gases del aire R | 287 J/(kg·K) |
| Razón de calores específicos γ (aire) | 1.4 |
| GM de la Tierra | 3.986 × 10¹⁴ m³/s² |
| Radio medio de la Tierra | 6,371 km |
Simuladores y referencias
Herramientas y referencias gratuitas para usar junto al curso.
- NASA Glenn: Beginner’s Guide to Aeronautics: La referencia gratuita de la NASA para cada ecuación de este curso, con simuladores.
- NASA Glenn: FoilSim: Túnel de viento virtual para perfiles (práctica A).
- MIT OpenCourseWare 16.00: Introduction to Aerospace Engineering and Design: El curso de diseño de primer año del MIT.
- FAA Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge: Manual gratuito de la FAA sobre aerodinámica, actuaciones y estabilidad.
- NASA JPL: Basics of Space Flight: Introducción gratuita a las órbitas y las misiones.
Glosario
- Ángulo de ataque
- Ángulo entre la línea de cuerda y el aire incidente.
- Alargamiento
- Envergadura al cuadrado dividida por la superficie del ala.
- Ecuación de alcance de Breguet
- Alcance de un reactor según velocidad, consumo de combustible, L/D y fracción de peso.
- Curvatura
- Curvatura de la línea media de un perfil.
- Centro de gravedad
- Punto donde actúa el peso.
- Polar de resistencia
- C_D en función de C_L.
- Presión dinámica
- ½ρV².
- Órbita geoestacionaria
- Órbita ecuatorial con un periodo de un día sideral.
- Transferencia de Hohmann
- Transferencia elíptica de dos encendidos entre órbitas circulares.
- Resistencia inducida
- Resistencia causada por producir sustentación con un ala finita.
- Número de Mach
- La velocidad dividida entre la velocidad local del sonido.
- Punto neutro
- Posición del CG que da estabilidad neutra en cabeceo.
- Rendimiento propulsivo
- Fracción de la potencia del chorro que se convierte en potencia de empuje útil.
- Número de Reynolds
- Cociente entre efectos inerciales y viscosos, ρVc/μ.
- Ecuación del cohete
- Δv = I_sp g₀ ln(m₀/m_f).
- Impulso específico
- Empuje por flujo de peso de propelente, en segundos.
- Pérdida
- Pérdida de sustentación cuando el flujo se separa del ala.
- Atmósfera estándar
- Modelo promedio de las propiedades del aire frente a la altitud.
- Margen estático
- Distancia del CG al punto neutro en cuerdas medias.
- Combustible sostenible de aviación
- Combustible de aviación hecho a partir de residuos o biomasa.
Rúbrica de autoevaluación
No se otorga nota ni crédito. Úsala para valorar con honestidad dónde estás en cada unidad.
| Nivel | Cómo se ve |
|---|---|
| 4 · Dominio | Plantea los problemas a partir de fuerzas y requisitos, comprueba unidades y órdenes de magnitud, y explica los compromisos. |
| 3 · Competente | Resuelve los problemas de práctica con algún error ocasional. |
| 2 · En desarrollo | Sigue los ejemplos resueltos pero le cuesta elegir la ecuación correcta. |
| 1 · Inicial | Sustituye números sin comprobar unidades ni supuestos; repasa la unidad. |
Ponderación sugerida si quieres una nota
| Parte | Peso |
|---|---|
| Problemas de práctica | 25% |
| Prácticas | 20% |
| Serie de práctica de mitad de curso | 25% |
| Serie de práctica final | 30% |
Apunta al nivel 3 o superior en cada unidad antes de pasar al siguiente curso.



