Prefacio

Hay muchos libros de texto excelentes que cubren el tema de Rendimiento Aeronáutico así como la teoría aerodinámica relacionada. Estos incluyen los textos que se enumeran a continuación:
• Anderson, John D., Jr., Aircraft Performance and Design, McGraw Hill, Nueva York, 1999 y ediciones posteriores.
• Houghton, E. L. y Carruthers, N. B., Aerodinámica para Estudiantes de Ingeniería, Arnold, Londres, 1982 y ediciones posteriores
• Eshelby, Martin E. Aircraft Performance, Theory and Practice, Arnold, Londres, 2000
• Mair, W. Austyn y Birdsall, David L. Rendimiento aeronáutico, Cambridge Aerospace Series 5, Cambridge University Press, 1992

Recomiendo especialmente el texto de mi viejo amigo, John Anderson, quien ha inspirado mi creciente interés por la historia de la aviación con los insertos históricos que se encuentran en todos sus excelentes libros y a través de sus destacadas charlas sobre la historia tanto de la aviación como de la aerodinámica. Sólo deseo que los editores de estos textos los pongan a disposición de los estudiantes a un precio razonable.

A las principales editoriales les gusta decirnos que los altos precios que cobran por los textos de ingeniería y técnicos son el resultado de la publicación de números relativamente pequeños de libros (en comparación con la literatura de la línea principal). Lo cierto es que uno puede acudir a cualquier imprenta profesional del país y obtener 1000 copias de un libro de tapa blanda encuadernado profesionalmente, de 200 páginas, impreso a un costo menor a $10 por copia. Esto lo sé porque lo he hecho con otro libro del que escribí y publiqué por mi cuenta. También sé que la industria de los libros de texto a menudo alienta a los autores a hacer revisiones innecesarias de sus libros cada cinco años más o menos con el único propósito de hacer “obsoletas” copias usadas de sus ediciones pasadas, y que es una práctica común aumentar el precio de un libro de texto aproximadamente $5 cada año, incluso si los costos no han subido ni un centavo.

De ahí que como se mencionó en el primer párrafo anterior, una motivación detrás de la creación de este texto es permitir que mis alumnos obtengan una publicación que sirva a sus necesidades con un ahorro de $100 o más. El otro motivo es darles únicamente el material que realmente necesitan para su curso y permitirles encontrar la cobertura necesaria en otros cursos en los textos requeridos para esos cursos. Demasiados autores hoy en día, a menudo alentados por sus editores, parecen querer crear libros de texto que cubran múltiples temas. El resultado es que los estudiantes terminan teniendo que comprar tres o cuatro textos diferentes, todos cubriendo la misma amplia gama de materias como aerodinámica subsónica, aerodinámica supersónica, rendimiento de aeronaves y teoría de capas límite en un solo volumen, cuando los profesores que imparten esos cuatro cursos separados prefieren libros de diferentes autores.

Este texto está diseñado para un curso de Rendimiento Aeronáutico que se imparte antes de que los alumnos hayan tenido algún curso de mecánica de fluidos, dinámica de fluidos o aerodinámica. El texto está destinado a proporcionar la información esencial de este tipo de cursos que se necesita para enseñar el rendimiento básico subsónico de los aviones, y se asume que los estudiantes aprenderán la historia completa de la aerodinámica en otros cursos posteriores. El texto asume que los estudiantes habrán tenido una secuencia de Física a nivel universitario en la que se les habrán introducido los conceptos más fundamentales de estática, dinámica, mecánica de fluidos y leyes básicas de conservación que se necesitan para comprender la cobertura que sigue. Los cursos separados en estática y dinámica de ingeniería son útiles pero no necesarios. También se asume que los estudiantes habrán completado la secuencia de cálculo a nivel universitario de primer año más un curso en cálculo multivariable. Cualquier estudiante que tome un curso utilizando este texto después de completar cursos de aerodinámica o dinámica de fluidos debe encontrar los capítulos de este libro que cubren esos temas una interesante revisión del material, quizás con un énfasis diferente al visto anteriormente.

He tratado de presentar gran parte del material en este texto desde el punto de vista de un piloto ya que es fundamental que el ingeniero de rendimiento de aeronaves sea capaz de relacionarse con los pilotos y sus necesidades y vocabulario. Si bien ser un ingeniero aeroespacial o incluso un especialista en rendimiento tiene poco que ver con volar un avión, fácilmente se podría argumentar que la experiencia del mundo real a los controles de un avión brinda una perspectiva valiosa para enseñar aerodinámica o rendimiento de la aeronave. Debo mi propia experiencia de vuelo “práctica” a dos personas, mi padre que comenzó a volar en su adolescencia y continuó pilotando su propio avión casi hasta que murió a los 80 años, y a un ex estudiante de pregrado y maestría, David Manor, quien me desafió a finalmente obtener mi licencia de piloto y me proporcionó vuelo gratis instrucción. Nunca estaré a la altura del deseo de mi padre de compartir su intenso amor por estar en un avión siempre que sea posible o del deseo del Dr. Manor de que todos estos estudiantes de vuelo se conviertan en pilotos aeróbicos; sin embargo, incluso la experiencia relativamente mundana de volar en línea recta del punto A al punto B tiene su momentos satisfactorios si uno está dispuesto a aguantar las molestias impuestas por la FAA y el clima y los escandalosos gastos de vuelo que parecen ser resultado principalmente de la regulación gubernamental y la codicia ilimitada de los abogados estadounidenses. Hace unos años fui víctima de esos altos costos y frustraciones de volar y poseer un avión y vendí mi avión. Sin embargo, la experiencia de ser piloto siempre dará sabor a la forma en que imparto cualquier curso de ingeniería aeroespacial.

Sobre el tema de los énfasis de este texto, el lector encontrará que, a diferencia de muchos libros técnicos, éste gasta menos tiempo y espacio de lo normal en derivaciones rigurosas de la teoría y más tiempo enfatizando los usos prácticos y limitaciones de las teorías resultantes. También he tratado de recalcar la necesidad de evaluar la practicidad de las respuestas propias y del seguimiento riguroso de las unidades a través de soluciones de problemas. Ha sido mi experiencia que el estudiante promedio de hoy, al igual que la población en general, tiene muy poco “sentir” por la realidad física y aún menos aprecio por la realidad expresada en sistemas unitarios desconocidos. Desafortunadamente, el énfasis en el uso del sistema de unidades SI en cada curso tomado desde el jardín de infantes hasta la universidad ha exacerbado en gran medida esta falta de aprecio por la realidad física.

Aparte de alguna comprensión del tamaño físico de un litro (¿o es litro?) que viene de comprar de todo, desde Coca-Cola hasta cerveza en contenedores de litro, el típico estudiante estadounidense no tiene absolutamente ninguna sensación por el tamaño físico de cualquier unidad SI. La excepción podría ser alguna apreciación por la longitud física de un metro (¿o es un metro?) entre las personas que han estado involucradas en alguna forma de pista o natación o las que se les enseñó que un metro es unos centímetros más largo que una yarda. A pesar de que los estudiantes estadounidenses han sido inundados por unidades SI en la escuela desde su quinto cumpleaños, pocos tendrían idea de su propio peso en Newtons (o masa en kilogramos) o su altura en metros. No es de extrañar que cuando el alumno en Rendimiento Aeronáutico calcula que la velocidad de vuelo de un Cessna 152 es de 750 metros por segundo, vaya alegremente en su camino sin cuestionar la realidad física de esa respuesta.

Y no es sólo el sistema SI el que es el problema. Dado que a la mayoría de los estudiantes se les ha impartido la mayoría de los cursos utilizando unidades SI en lugar de las unidades cotidianas más familiares de “inglés” (los británicos llaman a estas unidades “americanas”), también suelen carecer de alguna capacidad para pensar en problemas técnicos y la realidad física de sus soluciones en términos de respuestas de unidades “inglesas”. ¿Sería 1000 pies por segundo una velocidad aceptable para ese Cessna 152? Agrega algunas presiones en Pascales o libras por pie cuadrado y mezcla algunas densidades en kilogramos por metro cúbico o babosas por pie cúbico y el estudiante de hoy no tiene idea de si la magnitud de cualquier número es correcta o incorrecta. Incluso es raro hoy en día encontrar un estudiante estadounidense que tenga idea de cuántos pies hay en una milla.

Contrario a las creencias de quienes abogan enérgicamente por la conversión de la sociedad estadounidense a unidades SI, esto definitivamente no es un problema estadounidense. He trabajado con estudiantes de todo el mundo y todavía tengo que encontrar uno que pueda dar su propio peso corporal en Newtons o que tenga alguna idea de cuántos Pascales podrían representar una presión de aire superior a la estándar. Y ¿alguien en alguna parte ha visto un anuncio de un automóvil que se jactaba de cuántos Watts podría producir el motor de pistón?

También sería bueno que el ingeniero de rendimiento de la aeronave pudiera relacionarse con el piloto de avión que está acostumbrado a medir altitudes en pies, velocidades en nudos y presiones de aire en milibares o pulgadas de mercurio, independientemente de su país de origen. Para hacer frente a todos estos problemas, se pondrá un fuerte énfasis en la necesidad de llevar siempre las unidades adecuadas con cada número (excepto, por supuesto, las que no tienen unidades) completamente a través de cualquier problema y asegurarse absolutamente de que las unidades finales asociadas a cualquier respuesta sean las adecuadas. En un problema donde se le pide al alumno que calcule la velocidad máxima de una aeronave, si la respuesta sale con unidades de metros cuadrados por segundo, debería ser obvio que se ha cometido un error en alguna parte. El mismo énfasis fuerte se pondrá en evaluar la realidad física de las magnitudes de todas las respuestas. ¿Puede un Cessna 152, un avión propulsado por pistón de un solo motor, volar a una velocidad de 600 pies/seg o 300 metros por segundo o 100 nudos? (una de ellas es razonable).

Además del uso de unidades mixtas (con preferencia por “inglés”) he proporcionado papel cuadriculado con los problemas de tarea al final del texto e insisto en que mis propios alumnos trazen los resultados de su trabajo en este papel a mano en lugar de usar rutinas de trazado por computadora.

Esto, como mi insistencia en llevar unidades a través de soluciones con todos los números, es algo que creo firmemente alienta a los estudiantes a tomarse el tiempo para pensar en su trabajo. Hay demasiada tendencia para que los estudiantes quieran simplemente enchufar números en ecuaciones y dejar que la computadora haga las matemáticas y la trama y luego asuman que es imposible que la computadora haga algo mal. Las gráficas proporcionadas ya tienen sus ejes definidos y enumerados, proporcionando así al alumno alguna idea del rango de valores que deben salir de sus cálculos.

En esta tercera edición de esta obra he reescrito por completo los tres primeros capítulos del texto y agregado un noveno capítulo que trata del tema del “análisis de restricciones”. En los tres primeros capítulos he intentado organizar mejor la presentación de los conceptos básicos aerodinámicos y fluidos dinámicos que serán necesarios para el posterior desarrollo de las relaciones de rendimiento de las aeronaves. He eliminado algunas de las derivaciones más rigurosas de la teoría dinámica de fluidos y he intentado en cambio presentar esas ecuaciones y conceptos resultantes, como la ecuación de Bernoulli y la conservación de masa e impulso, en sus formas más utilizables y enfatizar los supuestos relacionados con estas formas y las limitaciones que imponen en el uso de esos conceptos y ecuaciones. Siempre he sentido que el principal valor de llevar realmente a los estudiantes a través de la derivación completa de las ecuaciones que eventualmente usarán es mostrar de dónde provienen los supuestos importantes y por qué se hicieron. Sin embargo, ha sido mi experiencia que la mayoría de los estudiantes simplemente se desconectan durante tales derivaciones o, si piensan que tendrán que retroalimentar las derivaciones en una prueba, recurren a la memorización sin sentido de los pasos involucrados y pierden totalmente de vista los aspectos importantes de las derivaciones, es decir, el impacto de los supuestos a menudo puramente matemáticamente basados en la utilidad posterior de las ecuaciones finales.

He sustituido totalmente el tercer capítulo de las ediciones anteriores, un capítulo que originalmente fue escrito con otro propósito y que fue escrito en un estilo y forma diferentes al resto del texto. Muchos de los conceptos presentados en ese capítulo simplemente no fueron relevantes para un primer curso en el desempeño de las aeronaves. Las partes importantes de ese material se han fusionado en los dos primeros capítulos de esta edición de tal manera que sigan una mejor progresión que antes y se relacionen mejor con la dirección posterior del texto.

El tercer capítulo ahora contiene alguna cobertura opcional (para un curso introductorio de rendimiento de aeronaves) de conceptos básicos de teoría bidimensional (superficie aerodinámica) y tridimensional (ala). Estos deberían ayudar a satisfacer la curiosidad de aquellos estudiantes que desean algunas herramientas muy básicas que les permitan realizar sus propias evaluaciones elementales de la forma en que los factores de geometría como la comba del plano aerodinámico y la relación de aspecto del ala pueden afectar tanto el rendimiento aerodinámico como el de la aeronave.

El capítulo nueve cubre el nuevo material que introduje por primera vez en mi curso de rendimiento de aviones de segundo año en la primavera de 2003. El capítulo abarca el concepto de “análisis de restricciones”, un método ampliamente utilizado para realizar una evaluación simultánea de varios parámetros de rendimiento de manera que una aeronave pueda diseñarse para cumplir estos objetivos de manera óptima, aunque los resultados podrían no ser óptimos cuando se consideran individualmente. En otras palabras, a pesar de que capítulos anteriores han discutido cómo obtener el mejor alcance o mejor resistencia en crucero o la distancia mínima de despegue o la velocidad máxima de giro, no hubo discusión real sobre cómo armarlos en un solo diseño de avión. El mejor área de empuje o ala para un rango óptimo puede ser muy diferente de aquellos para la mejor tasa de giro o ascenso. El análisis de restricciones es un método para evaluar el rendimiento de la aeronave en sus diversos modos en términos de dos relaciones, la relación empuje/peso y la carga del ala (relación peso a área de forma plana).

Si bien algunos textos de ingeniería aeroespacial de nivel introductorio discuten una forma de análisis de restricciones, generalmente lo hacen en un contexto muy limitado o están dirigidos a un tipo particular de aviones (cazas, por ejemplo). En el capítulo 9 se intenta presentar este método de manera general que pueda aplicarse a cualquier tipo de aeronave. Muchos libros de texto sobre el diseño de aeronaves también analizan los métodos de análisis de restricciones, pero generalmente lo hacen de una manera demasiado concisa, lo que supone que el estudiante puede leer entre líneas para determinar la base de las diversas parcelas presentadas. La cobertura en el capítulo nueve se basa en el material que presento en mi propio curso de diseño de aviones de nivel superior y el presentado en el texto de diseño que fui coautor con Lloyd Jenkinson (Aircraft Design Projects for Engineering Students, AIAA, 2002).

James F. Marchman, III
Verano 2004