Como funcionan y vuelan los drones

Como funcionan y vuelan los  drones – Una introducción a los multirotores

como vuelan los dronesSi eres  un principiante en el tema de los multicopteros, multirotores y drones  o necesita reforzar un poco mas sus conocimientos sobre estos, y saber Como funcionan y vuelan los drones, los recursos siguientes le ayudarán a entender cómo trabajan los multirotores y los principios basicos de su funcionamiento.

Al igual que la distinción hecha en los componentes básicos necesarios para las aeronaves de ala fija y los  multirotores, los principios básicos de sustentación en el aire y los fenómenos físicos que lo explican también deben tomarse en consideración de forma separada entre ambos tipos de aeronaves.

Para entender el vuelo de los multirotores, tendremos primero que entender algunos principios básicos de aerodinámica, que es la ciencia de la mecánica de los fluidos que estudia los efectos que tienen el movimiento relativo de los fluidos (en este caso el aire)  con respecto a los objetos.

Aeronaves de ala fija (Aviones)

Para explicar la física del vuelo en los aviones es necesario recurrir al Principio de Bernoulli el cual de forma resumida explica que los aviones pueden sustentarse en el aire gracias a una diferencia de velocidad en el paso del viento por sus alas y por consiguiente una diferencia de presiones que ejerce una fuerza en este caso de sustentación.

Revisaremos de una manera simple los conceptos básicos que explican de una manera sencilla como se genera la sustentación.

La sustentación es una fuerza generada por el fuselaje y las diversas partes del avión, aunque para este estudio nos centraremos en el principal que son las alas.

Existen dos teorías que explican la sustentación:

1.- Teorema de Bernoulli.

Imaginemos una manguera en la cual esta fluyendo el agua (fluido similar al aire´.

En condiciones normales, la presión y la velocidad del fluido será igual y constante en cualquier punto.

Ahora ¿que sucedería si presionamos la manguera en algún punto por ejemplo en el medio?,
Si tomamos al agua como un fluido que no puede comprimirse, significaría esto que la misma cantidad de agua que pasaba por la sección original tendrá que pasar por un área menor  (la presionada) y en el mismo tiempo.

Para que eso suceda el fluido tendrá que incrementar su velocidad (acelerarse).

Si medimos la presión en las dos zonas notaremos que hay menos presión en la zona en la que el fluido se acelera,  visto esto Bernoulli concluyo que si se acelera un fluido, se consigue que su presión disminuya.

teorema-de-bernoulli

Transponiendo este mismo fenómeno al aire como fluido y colocando el corte de un perfil del ala de un avión, observamos que debido a la curvatura de la superficie superior del ala, el aire tiende a acelerar en esta zona superior y por lo tanto su presión disminuye al igual que sucede con el ejemplo de la manguera, y el aire por debajo del ala mantiene su velocidad por ende su presión.

Produciéndose una diferencia de presión entre la parte superior y la inferio, esta diferencia de presión es la que origina la fuerza de sustentacion.

2.- La tercera Ley de newton.

“Toda accion tiene una reaccion de igual magnitud pero de sentido opuesto”

Imaginemos el ala como un muro inclinado, las moléculas del aire que vienen por debajo del ala chocan contra ella y son desviadas hacia abajo y es la que produce la acción.

Por otro lado el aire que fluye por arriba y por abajo del ala siguen la curvatura del ala y se desvían hacia abajo el cual junto con el aire que viene por debajo del ala  forman en su totalidad la acción, por lo que se  genera una reacción en sentido opuesto a lo que llamamos  sustentación.

tercera ley de newton

Aunque tanto el teorema de Bernoulli como la tercera ley de Newton son validas para explicar la sustentación, actualmente no hay una total acuerdo sobre cuál de ellos aporta más en el este fenómeno
Y a ti, ¿cuál te parece?

movimientos-de-una-aeronaveCuando la aeronave (en este caso el avión logra alcanzar la sustentación, es capaz de realizar movimientos en sus tres ejes las cuales son:

Cualquier aeronave una vez alcanzada la sustentación es capaz de rotar alrededor de tres ejes perpendiculares entre sí, cuyo punto de intersección está situado sobre su centro de gravedad; son el eje transversal (o lateral), el longitudinal y el vertical.

 

Aeronaves tipo multirotor (Helicópteros, Tricópteros, “Cuadricopteros”, “Hexacopteros” “Octocopteros”)

aerodinamica de un helicopteroPara el caso de aeronaves  del tipo mutirotor, sea el caso de helicópteros la explicación es más sencilla, puesto que se trata de contrarrestar la fuerza de la gravedad con una fuerza de empuje contraria proporcionada por hélices conectadas a rotores que según la velocidad y el tamaño ejercerán mas o menos fuerza de empuje.

Podríamos considerar a las palas de las hélices de un multirotor, como un ala en movimiento giratorio y aplicar los principios explicados en el análisis de las alas de un avión.

Los helicópteros para contrarrestar la fuerza de inercia de su rotor y no girar descontroladamente utilizan unos rotores de cola o estabilizadores.

En los Multirotores como el cuadricoptero el problema vendría si todos los rotores giraran a la vez en el mismo sentido ocasionando que la aeronave girara de forma descontrolada

Para solucionar esto en el cuadricoptero se colocan los rotores con las helices que giran en sentido opuesto alternadamente y colocados de forma diametral, dependiendo de las velocidades de los motores es lo que se puede controlar el movimiento de la aeronave

En la figura  se muestra el modelo dinámico para el desarrollo de un cuadricóptero. En esta figura se observa que es indispensable considerar las fuerzas que actuarán en cada una de las hélices del modelo, los momentos de fuerza, el peso ubicado al centro del dispositivo y un indispensable eje de referencia para los cálculos necesarios.

Arrastre, empuje y elevación

Antes de entrar en los detalles específicos de cómo vuelan los multirotores, es importante entender lo que son arrastre, empuje y elvacion.

Arrastre

‘Arrastre‘ es esencialmente una fuerza mecánica que se opone al movimiento de cualquier objeto a través de un fluido. En este contexto, ya que estamos hablando de los multirotatores que atravesando el aire, se llama “resistencia aerodinámica” (en contraposición a “arrastre hidrodinámico” – para los objetos que pasan a través del agua).

Se genera arrastre aerodinámico en multirotores debido a la diferencia de velocidad entre el multirotor y el aire. Esto es sólo si el cuadricoptero / multirotor está en movimiento (subir, bajar, adelantar, retroceder y tomar turnos) en relación con el aire. Si el multirotor está parado, no hay arrastre.

Esta fuerza de arrastre y el peso del multirotor es lo que hay que superar, para que la nave se eleve en el aire y se mueva.

Empuje

‘Empuje’ es la fuerza generada por las hélices del multirotor, para trabajar contra una de las fuerzas que hay que superar: la resistencia.

Tenga en cuenta que la fuerza de empuje no es la fuerza principal responsable de mantener el multirotor en el aire. En su lugar, es la fuerza que permite que el multitorre viaje dentro del aire, que es un fluido, superando su resistencia al arrastre.

Ascenso

El ascenso es la fuerza que actúa contra el peso de la nave, elevandola en el aire.

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Un quadricoptero o drone de cuatro helices es esencialmente un helicóptero que tiene 4 motores que se encuentran equitativamente espaciados, dispuestos en las esquinas de un cuerpo cuadrado formando una x entre ellos.

A diferencia de los helicópteros, los multirotores  sin asistencia electrónica son inestables,  porque es extremadamente dificil controlar múltiples rotores manualmente.

Las hélices del multirotator generan una fuerza de ‘elevación’ usando principios similares (empujando el aire hacia abajo y la diferencia en la presión del aire). Para que el multirotor salga del suelo y pueda volar y volar, esta fuerza debe ser mayor que el peso de la nave.

¿Cómo interactúan los motores cuádruples y giran para hacer que el avión voltee deseablemente?

En un cuadricoptero, hay cuatro motores colocados en el borde de cuatro brazos del marco. La dirección de rotación de cada motor es tal que contrarresta el par generado por el motor que se coloca en el lado opuesto. Así es como el cuadricoptero evita el giro debido al efecto de par – el par generado por cada uno de los motores se cancela.

¿Cómo flotan los cuadricopteros / multirotores?

Para que el cuadricoptero flote en su lugar, es necesario asegurarse de que:

  • Todos los motores giran a la misma velocidad (o RPM)
  • La velocidad de rotación debe ser suficiente para que el quadcopter genere un ‘lift’, contrarrestando su propio peso, pero no tanto que el cuadricoptero siga subiendo en altitud.
  • El efecto de par que actúa sobre el cuerpo del cuadricoptero por cada uno de los motores debe ser cancelado. De lo contrario, el cuadricoptero tiende a querer guiarse en una dirección determinada.

Ganar y perder altura

Para que elcuadricoptero gane altitud, los cuatro motores deben aumentar la velocidad de rotación simultáneamente. A la inversa, para descender, los cuatro motores deben disminuir la velocidad de su rotación simultáneamente.

Esto es lo que sucede cuando aumenta o disminuye el control del elevador en su transmisor – la velocidad de los motores cambia simultáneamente.

Pitch (cabeceo)

La velocidad de los motores traseros aumenta con respecto a la velocidad de los motores delanteros

El control ‘pitch’ indica al cuadricoptero si debe volar hacia delante o hacia atrás. Con el fin de avanzar por ejemplo, la velocidad de los motores en la parte trasera del cuadricoptero debe aumentar, en relación con la velocidad de los motores en la parte delantera. Esto ‘inclina’ la nariz (frente) del cuadricoptero abajo, dando por resultado el movimiento delantero.

Esto se consigue aumentando la velocidad de los motores traseros o disminuyendo la velocidad de los motores delanteros.

Por el contrario, con el fin de ‘pitch’ hacia atrás, la velocidad de los motores en la parte delantera del cuadricoptero debe aumentar en relación con la velocidad de los motores en la parte posterior.

Roll (Alabeo)

La velocidad de los motores derechos aumenta respecto a la izquierda

El control ‘roll’ le indica al cuadricoptero que se mueva de lado a lado. Con el fin de “rodar” a la derecha, por ejemplo, la velocidad del motor a la izquierda de los quadcopters debe aumentar, en relación con la velocidad de los motores a la derecha. Esto “rueda abajo” el lado derecho del cuadricoptero, dando por resultado un movimiento de balanceo.

Al igual que el paso, esto se logra aumentando la velocidad de los motores izquierdos o disminuyendo la velocidad de los motores derechos. Por el contrario, con el fin de “rodar” a la izquierda, la velocidad de los motores de la derecha del quadcopter debe aumentar en relación con la velocidad de los motores a la izquierda.

 explicacion-de-alabeo-y-cabeceo

Yaw (Guiñada)

Los pares de motores diametralmente opuestos aumentan su velocidad con respecto al otro par.

El ‘guiñada’ o ‘yaw’ es un movimiento de rotación del cuadricoptero. En este caso, se incrementa o disminuye la velocidad de rotación de pares de motores diametralmente opuestos, variando el par en la dirección de rotación de ese par (recuerde que los motores diametralmente opuestos en un cuadricoptero giran en la misma dirección), haciendo que el cuadricoptero gire En la dirección del par incrementado.

 explicacion-de-yaw-o-guiniada

En realidad el análisis de los movimientos de las aeronaves y drones es mucho más complejo y se basa en cálculos más avanzados para su diseño.

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One thought on “Como funcionan y vuelan los drones

  • Hago el comentario sin haber leido el documento, pero solo recorriendolo me doy cuenta que hasta ahora es el mejor explicado que he encontrado

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