Aerodinámica de drones
Bernoulli, perfiles de pala, flujo de aire, drag y número de Reynolds
Principio de Bernoulli y sustentación
El principio de Bernoulli establece que en un fluido en movimiento, un aumento de velocidad implica una disminución de presión: P + ½ρV² + ρgh = constante.
En una hélice: la cara superior de la pala (curvatura mayor) acelera el aire, creando zona de baja presión. La cara inferior (curvatura menor o plana) mantiene alta presión. La diferencia genera fuerza neta ascendente = empuje.
Perfil de pala y parámetros críticos
Cuerda (chord): distancia entre borde de ataque y borde de fuga de la pala. Ángulo de ataque (α): ángulo entre la cuerda y el flujo relativo. A mayor α, mayor sustentación hasta alcanzar el ángulo de pérdida (stall), donde el flujo se separa y la sustentación cae bruscamente.
Pitch de la hélice: distancia teórica que avanzaría la hélice en una revolución completa si se moviese en un sólido. Una hélice 5x4.3 tiene 5 pulgadas de diámetro y 4.3 pulgadas de pitch.
Twist: variación del ángulo de ataque a lo largo de la pala, mayor en la raíz y menor en la punta, para igualar la velocidad lineal diferente a distintos radios.
Flujo de aire en multirotores
Downwash: flujo de aire descendente generado por las hélices. En hover, el downwash es vertical y crea zona de alta presión debajo del drone. Cerca del suelo, este flujo rebota y genera efecto suelo: aumento de eficiencia a alturas inferiores a 1 diámetro de hélice.
Interferencia entre hélices: en multirotores, las hélices adyacentes interactúan. Si están demasiado próximas, el downwash de una afecta a la siguiente, reduciendo eficiencia. Regla práctica: separación mínima entre ejes de motor = 2× diámetro de hélice. En frames compactos de racing se acepta penalización de eficiencia a cambio de menor momento de inercia.
Vortex Ring State (VRS): cuando el drone desciende a velocidad similar o superior a la velocidad del downwash, las puntas de las hélices recirculan el aire descendente. Resultado: pérdida de sustentación progresiva e incontrolable. Prevención: descender con componente horizontal (vuelo inclinado) o limitar tasa de descenso vertical.
Resistencia aerodinámica y Reynolds
Drag parásito: generado por el frame, batería, cables, cámara y cualquier componente expuesto al flujo. Proporcional a V². Drag inducido: subproducto de la generación de sustentación; vórtices en las puntas de las palas redirigen energía. Drag de forma: depende de la sección transversal del drone; frames aerodinámicos (pod shapes) lo reducen significativamente.
Implicación práctica: a altas velocidades, la mayor parte de la potencia se consume en vencer la resistencia, no en generar empuje útil. Esto limita la velocidad máxima del drone.
Número de Reynolds: Re = (ρ × V × L) / μ. Las hélices de drones pequeños operan a números de Reynolds bajos (10⁴–10⁵), donde el flujo es predominantemente laminar y susceptible a separación. Esto las hace menos eficientes que hélices grandes de aviación. El diseño del perfil de pala debe optimizarse para este régimen.