Module 2: Physics

Módulo 2: Física — Resumen

El Módulo 2 del programa de conocimientos básicos de EASA Part-66 proporciona los principios físicos fundamentales que sustentan todos los sistemas y estructuras de las aeronaves. No es meramente un ejercicio académico; es la base teórica esencial para que el personal certificador comprenda cómo y por qué los componentes de las aeronaves se comportan como lo hacen. Este módulo cubre la materia, la mecánica, la termodinámica, la óptica y el movimiento ondulatorio, y es un requisito previo para comprender módulos más avanzados sobre aerodinámica, sistemas eléctricos y estructuras.

El programa está estructurado en submódulos, cada uno de los cuales aborda un área central de la física. Los niveles de conocimiento (1, 2 o 3) determinan la profundidad de comprensión requerida. Para una licencia B1.1, se espera una comprensión detallada (Nivel 3) en la mayoría de los temas, lo que significa que debe ser capaz de aplicar los principios para resolver problemas y explicar el comportamiento de los sistemas.

Este material de estudio sintetiza los conceptos clave del programa, centrándose en las áreas más frecuentemente examinadas. Está estructurado para construir su comprensión desde las definiciones fundamentales hasta las aplicaciones complejas.

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2.1 Materia y Unidades

El Sistema Internacional de Unidades (SI)

La aviación es una industria internacional, y el sistema SI es el estándar para todos los cálculos de ingeniería, publicaciones técnicas y datos de mantenimiento. Si bien las unidades imperiales heredadas (psi, pulgadas, libras) pueden aparecer aún en alguna documentación más antigua, todos los manuales de aeronaves modernos y los datos de certificación utilizan unidades SI. El personal certificador debe dominar la conversión entre estos sistemas.

Las siete unidades base del SI son:

Todas las demás unidades se derivan de estas. Por ejemplo, la unidad de fuerza, el newton (N), se deriva como kg·m/s².

Unidades Derivadas Clave en Aviación

• Fuerza: El newton (N) es la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg a una velocidad de 1 m/s². Esta es una definición fundamental.
• Presión: El pascal (Pa) se define como un newton por metro cuadrado (N/m²). Debido a que el pascal es una unidad pequeña, las presiones en aviación a menudo se expresan en kilopascales (kPa), megapascales (MPa) o bares (1 bar = 100.000 Pa).
• Energía/Trabajo: El julio (J) es el trabajo realizado cuando una fuerza de 1 newton mueve un objeto 1 metro en la dirección de la fuerza.
• Potencia: El vatio (W) es la tasa de realización de trabajo, igual a un julio por segundo (J/s).
• Carga eléctrica: El culombio (C) es la cantidad de carga transportada por una corriente constante de un amperio en un segundo.
• Frecuencia: El hercio (Hz) es un ciclo por segundo.

Conversión de Unidades

La capacidad de convertir entre unidades imperiales y SI es una habilidad práctica para el mantenimiento. Las conversiones más críticas para el Módulo 2 son:

• Presión: 1 psi = 6,89476 kPa. Por lo tanto, una presión de sistema hidráulico común de 3000 psi equivale a 20,68 MPa.
• Longitud: 1 pulgada = 25,4 mm; 1 metro = 1000 milímetros.
• Masa: 1 kg = 2,20462 lb.
• Fuerza: 1 N = 0,2248 lbf.

Enfoque del Examen: Se esperará que realice estas conversiones con precisión. Un error común es colocar mal el punto decimal al convertir entre mm² y m² (por ejemplo, 1 mm² = 1 × 10⁻⁶ m²).

Magnitudes Escalares y VectorialesUna distinción fundamental en física es entre escalares y vectores.

• Cantidades escalares tienen solo una magnitud (un valor numérico). Ejemplos incluyen masa, temperatura, tiempo, velocidad y energía.
• Cantidades vectoriales tienen tanto una magnitud como una dirección. Ejemplos incluyen fuerza, velocidad, desplazamiento y aceleración.

Esta distinción es crítica en mecánica. Por ejemplo, al analizar fuerzas en una aeronave, debe considerar tanto la magnitud como la dirección de cada fuerza.

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2.2 Mecánica: Estática, Dinámica y Resistencia de Materiales

Estática: Fuerzas y Equilibrio

La estática es el estudio de cuerpos en reposo o que se mueven a velocidad constante. El principio fundamental es que para que un cuerpo esté en equilibrio, la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre él debe ser cero (ΣF = 0), y la suma de todos los momentos (pares) también debe ser cero (ΣM = 0).

Peso y Masa: El peso de un objeto es la fuerza que la gravedad ejerce sobre él. Se calcula como:

Donde:

• $W$ = peso (N)
• $m$ = masa (kg)
• $g$ = aceleración debida a la gravedad (9.81 m/s² en la Tierra)

Una masa de 10 kg tiene por tanto un peso de 98.1 N. Esta distinción es crucial: la masa es una propiedad de la materia, mientras que el peso es una fuerza que depende del campo gravitatorio local.

Momento (Par): Un momento es el efecto de giro de una fuerza. Se calcula como el producto de la fuerza y la distancia perpendicular desde el punto de pivote hasta la línea de acción de la fuerza.

Donde:

• $M$ = momento (N·m)
• $F$ = fuerza (N)
• $d$ = distancia perpendicular (m)

Este principio se aplica al apretar elementos de fijación. Una fuerza de 500 N aplicada perpendicularmente al mango de una llave dinamométrica a una distancia de 0.3 m produce un par de 150 N·m.

Principio de Pascal: Este principio es la base de todos los sistemas hidráulicos. Establece que la presión aplicada a un fluido confinado se transmite igualmente y sin disminución a cada parte del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene. Esto permite la multiplicación de fuerza:

Si se aplica una fuerza de 200 N a un pistón de entrada pequeño con un área de 0.005 m², la presión es de 40,000 Pa. Esta presión actúa sobre un pistón de salida más grande con un área de 0.02 m², produciendo una fuerza de 800 N. La presión es la misma en todo el sistema, pero la fuerza es proporcional al área.

Dinámica: Movimiento y Energía

La dinámica es el estudio de cuerpos en movimiento y las fuerzas que causan ese movimiento.

Leyes del Movimiento de Newton:

1. Un cuerpo en reposo permanece en reposo, y un cuerpo en movimiento permanece en movimiento a velocidad constante, a menos que actúe sobre él una fuerza externa neta.
2. La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa: $F = ma$.
3. Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta.

Trabajo, Energía y Potencia:

• Trabajo se realiza cuando una fuerza mueve un objeto a lo largo de una distancia. $W = F \times d$. La unidad del SI es el julio (J). Una fuerza de 50 N que mueve un objeto 3 m realiza 150 J de trabajo.
• Energía Cinética es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. $KE = \frac{1}{2}mv^2$. Una masa de 2 kg que se mueve a 5 m/s tiene una energía cinética de 25 J.
• Energía Potencial es la energía que posee un cuerpo debido a su posición. $PE = mgh$.
• Potencia es la tasa de realización de trabajo. $P = \frac{W}{t}$. La unidad del SI es el vatio (W), que es un julio por segundo.Movimiento Rotacional:
• Velocidad Angular (ω) es la tasa de cambio del desplazamiento angular, medida en radianes por segundo (rad/s). Para convertir desde rpm: $\omega = \frac{2\pi \times rpm}{60}$.
• Momento de Inercia (I) es el equivalente rotacional de la masa. Depende de la masa y su distribución respecto al eje de rotación.
• Energía Cinética Rotacional se expresa como $KE = \frac{1}{2}I\omega^2$. Un disco de turbina con un momento de inercia de 0.5 kg·m² girando a 10,000 rpm (ω = 1047.2 rad/s) almacena aproximadamente 274 kJ de energía. Esta energía almacenada es una consideración de seguridad significativa durante el mantenimiento.

Resistencia de Materiales

Esta es un área crítica para el personal certificador, ya que trata el comportamiento de los materiales bajo carga.

Esfuerzo es la resistencia interna de un material a una fuerza aplicada, definida como fuerza por unidad de área:

La unidad del SI es el pascal (Pa). Una barra de acero con un área de sección transversal de 120 mm² (120 × 10⁻⁶ m²) que soporta una carga de tracción de 18 kN experimenta un esfuerzo de 150 MPa.

Deformación Unitaria es la deformación de un material relativa a su longitud original:

La deformación unitaria es adimensional. Una barra que se estira de 1.200 m a 1.204 m tiene una deformación unitaria de 0.00333.

Ley de Hooke y Módulo de Young: Dentro del límite elástico, el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación unitaria. La constante de proporcionalidad es el Módulo de Young (E):

Esto permite el cálculo del alargamiento. Una barra de acero (E = 200 GPa) con un área de sección transversal de 200 mm² que soporta una carga de 40 kN experimentará un esfuerzo de 200 MPa, una deformación unitaria de 0.001, y un alargamiento de 0.5 mm sobre una longitud de 500 mm.

Esfuerzo Cortante y Torsión: El esfuerzo cortante ocurre cuando las fuerzas se aplican paralelas a una superficie. En un eje bajo torsión, el esfuerzo cortante máximo se expresa como:

Donde:

• $T$ = par de torsión (N·m)
• $r$ = radio del eje (m)
• $J$ = segundo momento polar del área (m⁴), que para un eje circular sólido es $J = \frac{\pi d^4}{32}$

Fatiga: Un material sometido a cargas cíclicas por debajo de su límite elástico puede fallar repentinamente después de muchos ciclos. Este fenómeno se conoce como fatiga. Es un mecanismo de daño estructural progresivo y localizado, y es una preocupación principal en la integridad estructural de las aeronaves. La falla ocurre sin deformación plástica significativa, lo que la hace particularmente peligrosa.

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2.3 Termodinámica

La termodinámica es el estudio del calor, el trabajo y la transferencia de energía. Es fundamental para comprender los motores, los sistemas de aire acondicionado y los sistemas hidráulicos.

Temperatura y Calor

• Temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una sustancia. Se mide en kelvin (K) o grados Celsius (°C). La escala Kelvin es una escala absoluta, siendo 0 K el cero absoluto. $T(K) = T(°C) + 273.15$.
• Calor es la transferencia de energía térmica entre sustancias a diferentes temperaturas. Se mide en julios (J).

Capacidad Calorífica Específica (c) es la cantidad de energía calorífica requerida para elevar la temperatura de 1 kg de una sustancia en 1 K. La energía calorífica requerida para cambiar la temperatura de una masa es:

Donde:

• $Q$ = energía calorífica (J)
• $m$ = masa (kg)
• $c$ = capacidad calorífica específica (J/(kg·K))
• $\Delta T$ = cambio de temperatura (K)

Por ejemplo, para elevar una pala de turbina de 0.5 kg (c = 450 J/(kg·K)) desde 20°C hasta 620°C se requieren 135 kJ de energía.Calor Sensible es el calor que provoca un cambio de temperatura sin un cambio de estado. La tasa de eliminación de calor en un paquete de aire acondicionado, por ejemplo, se calcula como:

Donde $\dot{m}$ es el caudal másico (kg/s) y $c_p$ es la capacidad calorífica específica a presión constante. Para el aire, $c_p$ ≈ 1005 J/(kg·K).

Leyes de los Gases

El comportamiento de los gases se describe mediante un conjunto de leyes que son esenciales para comprender los sistemas neumáticos, los acumuladores y los ciclos de motor.

• Ley de Boyle: A temperatura constante, la presión de una masa fija de gas es inversamente proporcional a su volumen. $P_1V_1 = P_2V_2$. Si el volumen se reduce a la mitad, la presión se duplica.
• Ley de Gay-Lussac: A volumen constante, la presión de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$. Esto es crítico para los acumuladores hidráulicos, donde un aumento de temperatura provocará un aumento de presión.
• Ley de Charles: A presión constante, el volumen de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
• Ley del Gas Ideal: Esta combina las anteriores: $PV = nRT$, donde $n$ es el número de moles y $R$ es la constante universal de los gases.

Importante: Al utilizar estas leyes, las temperaturas deben estar en kelvin y las presiones deben ser absolutas (presión manométrica + presión atmosférica).

Mecanismos de Transferencia de Calor

El calor se transfiere mediante tres mecanismos:

1. Conducción: Transferencia de calor a través de un material sólido por colisión molecular. Los metales son buenos conductores.
2. Convección: Transferencia de calor por el movimiento masivo de un fluido (líquido o gas). Este es el modo dominante de transferencia de calor dentro de un fluido en movimiento, como el fluido hidráulico en una línea.
3. Radiación: Transferencia de calor por ondas electromagnéticas. Esta no requiere un medio y es despreciable a las temperaturas típicas de los sistemas hidráulicos.

Procesos Termodinámicos

• Proceso Isotérmico: Ocurre a temperatura constante (se aplica la Ley de Boyle).
• Proceso Adiabático: Ocurre sin transferencia de calor (Q = 0). En una compresión adiabática, se realiza trabajo sobre el gas, aumentando su energía interna y, por tanto, su temperatura.
• Proceso Isentrópico: Un proceso adiabático y reversible, lo que significa que la entropía permanece constante. Para un gas ideal, $\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{P_2}{P_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}$, donde $\gamma$ es la relación de calores específicos (1.4 para el aire).

La Segunda Ley de la Termodinámica establece que todos los procesos reales son irreversibles y resultan en un aumento de la entropía. Esta es la razón por la que la relación de temperaturas real a través de un ventilador es mayor que la relación isentrópica ideal, lo que indica ineficiencias.

Intercambiadores de Calor

Los intercambiadores de calor se utilizan en los sistemas de aire acondicionado y de enfriamiento de aceite del motor. La Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (LMTD) se utiliza para calcular la fuerza impulsora para la transferencia de calor en un intercambiador de calor. Para un intercambiador de calor de flujo en contracorriente:

Donde $\Delta T_1$ y $\Delta T_2$ son las diferencias de temperatura entre los fluidos caliente y frío en cada extremo del intercambiador.

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2.4 Mecánica de Fluidos (Estática y Dinámica)

La mecánica de fluidos es el estudio de los líquidos y gases en movimiento y en reposo. Es fundamental para la hidráulica, la neumática y la aerodinámica.

Estática de Fluidos: Presión HidrostáticaLa presión en un fluido en reposo aumenta con la profundidad debido al peso del fluido que se encuentra encima. El aumento de presión debido a una altura de fluido es:

Donde:

• $\rho$ = densidad del fluido (kg/m³)
• $g$ = aceleración debida a la gravedad (9.81 m/s²)
• $h$ = altura de la columna de fluido (m)

La presión en la superficie del fluido se suma a esto para encontrar la presión absoluta a una profundidad determinada.

Presión Manométrica vs. Presión Absoluta

• La presión manométrica es la presión medida en relación con la presión atmosférica.
• La presión absoluta es la presión medida en relación con un vacío perfecto.

La relación es: Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Un sistema hidráulico que opera a 3000 psi manométricos tiene una presión absoluta de 3000 psi + 14.7 psi = 3014.7 psi, que es aproximadamente 2.08 × 10⁷ Pa.

Dinámica de Fluidos: Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli establece que para un fluido incompresible y sin fricción, un aumento en la velocidad del fluido ocurre simultáneamente con una disminución de la presión o una disminución de la energía potencial del fluido. Para un flujo horizontal:

El término $\frac{1}{2}\rho v^2$ es la presión dinámica, y $P$ es la presión estática. La suma de ambas es la presión total.

Este principio es la base de:

• Tubos Venturi utilizados en la medición del flujo de combustible. A medida que la velocidad del fluido aumenta en la garganta, la presión estática disminuye.
• Sistemas pitot-estáticos utilizados para medir la velocidad del aire. El tubo pitot mide la presión total, y la toma estática mide la presión estática. La diferencia es la presión dinámica, que es proporcional al cuadrado de la velocidad del aire: $q = \frac{1}{2}\rho v^2$.

Actuadores Hidráulicos

La fuerza ejercida por un actuador hidráulico se calcula como:

Donde $A$ es el área efectiva del pistón. Para la extensión, el área efectiva es el área total del pistón. Para la retracción, es el área del pistón menos el área del vástago.

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2.5 Electricidad y Circuitos de CC

Esta sección cubre los principios fundamentales de la electricidad, que son esenciales para comprender los sistemas eléctricos de las aeronaves.

Cantidades Básicas

• Corriente Eléctrica (I): La tasa de flujo de carga eléctrica, medida en amperios (A).
• Voltaje (V) o Fuerza Electromotriz (FEM): La diferencia de potencial eléctrico, medida en voltios (V).
• Resistencia (R): La oposición al flujo de corriente, medida en ohmios (Ω).
• Carga (Q): La cantidad de electricidad, medida en culombios (C). $Q = I \times t$. Una batería que suministra 20 A durante 30 minutos entrega 36,000 C.
• Capacitancia (C): La capacidad de un componente para almacenar carga, medida en faradios (F). $C = \frac{Q}{V}$. Un condensador que almacena 0.02 C a 100 V tiene una capacitancia de 200 µF.

Ley de Ohm

La Ley de Ohm es la relación fundamental en los circuitos de CC:

Una resistencia con 12 V a través de ella y 3 A fluyendo a través de ella tiene una resistencia de 4 Ω.

Circuitos en Serie

En un circuito en serie, la corriente es la misma a través de todos los componentes, y la resistencia total es la suma de las resistencias individuales:

Resistencia Interna

Una batería real tiene una resistencia interna (r). Cuando suministra corriente a una carga (R), el voltaje en los terminales es menor que la FEM debido a la caída de voltaje a través de la resistencia interna:

Donde $I = \frac{FEM}{R + r}$.### Condensadores

Un condensador almacena energía en un campo eléctrico. La energía almacenada es:

Un condensador de 100 µF cargado a 28 V almacena 0.0392 J de energía. Esta energía almacenada es un peligro para la seguridad y debe descargarse antes del mantenimiento.

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2.6 Ondas y Sonido

Las ondas son un medio de transferir energía sin transferir materia.

Propiedades de las Ondas

• Frecuencia (f): El número de ondas completas que pasan por un punto por segundo, medida en hercios (Hz).
• Longitud de onda (λ): La distancia entre dos puntos idénticos sucesivos en una onda, medida en metros (m).
• Velocidad (v): La velocidad a la que se propaga la onda.

La relación entre estas es:

Una onda sonora con una frecuencia de 440 Hz y una longitud de onda de 0.75 m tiene una velocidad de 330 m/s.

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2.7 Aerodinámica del Avión y Controles de Vuelo

Esta sección aplica los principios de la dinámica de fluidos al vuelo de un avión.

Fuerzas en el Vuelo

Cuatro fuerzas actúan sobre un avión en vuelo: sustentación, peso, empuje y resistencia.

• La sustentación actúa perpendicular al flujo de aire relativo.
• El peso actúa verticalmente hacia abajo.
• El empuje actúa paralelo a la trayectoria de vuelo, en la dirección del movimiento.
• La resistencia actúa paralela a la trayectoria de vuelo, oponiéndose al movimiento.

Ascenso Estable

En un ascenso estable (velocidad constante), la fuerza neta es cero. Resolviendo las fuerzas paralelas y perpendiculares a la trayectoria de vuelo:

• Paralelo a la trayectoria de vuelo: Empuje = Resistencia + (Peso × sen(ángulo de ascenso)). Por lo tanto, Empuje > Resistencia.
• Perpendicular a la trayectoria de vuelo: Sustentación = Peso × cos(ángulo de ascenso). Por lo tanto, Sustentación < Peso.

Esta es una pregunta común de examen, y es importante comprender la distinción entre las fuerzas resueltas a lo largo de la trayectoria de vuelo y las de la dirección vertical.

Sistema Pitot-Estático

El sistema pitot-estático proporciona datos de presión para el indicador de velocidad aerodinámica (ASI), el altímetro y el indicador de velocidad vertical (VSI).

• El tubo pitot mide la presión total (estática + dinámica).
• La toma estática mide la presión estática.
• El ASI mide la diferencia entre ambas (presión dinámica) y la convierte en velocidad aerodinámica.
• El altímetro mide la presión estática y la convierte en altitud basándose en el modelo de la Atmósfera Estándar Internacional (ISA).

Fallos del Sistema:

• Si el tubo pitot está bloqueado (por ejemplo, por hielo), el ASI no responderá a los cambios en la velocidad aerodinámica. Durante un ascenso, la presión estática disminuye, lo que hace que el ASI actúe como un altímetro (mostrará un aumento en la velocidad aerodinámica).
• Si la toma estática está bloqueada, la presión estática dentro de los instrumentos permanece constante. El ASI marcará cero cuando la presión pitot sea igual a la presión estática atrapada, incluso con viento de frente.

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Relaciones Comunes Entre Conceptos- Presión, Fuerza y Área: Estas están relacionadas tanto en la estática (esfuerzo) como en la mecánica de fluidos (hidráulica). Comprender esta relación es clave para resolver muchos problemas.

• Leyes de los Gases y Temperatura Absoluta: Todos los cálculos de las leyes de los gases requieren temperaturas en kelvin. No convertir desde Celsius es un error común.
• Principio de Bernoulli y Velocidad del Aire: La presión dinámica medida por el sistema pitot-estático está directamente relacionada con la velocidad del aire. Esto conecta la dinámica de fluidos con la aerodinámica.
• Conservación de la Energía: El trabajo, la energía cinética y la energía potencial son todas formas de energía. El principio de conservación de la energía relaciona estos conceptos.
• Termodinámica y Rendimiento del Motor: Las leyes de los gases y los procesos termodinámicos (adiabático, isentrópico) se utilizan para analizar ciclos de motor y eficiencias de componentes.

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Puntos Típicos de Enfoque del Examen

• Conversiones de Unidades: Ser competente en la conversión entre psi y Pa, mm y m, y mm² y m².
• Definiciones Fundamentales: Conocer las definiciones de las unidades del SI (newton, pascal, julio) y la diferencia entre cantidades escalares y vectoriales.
• Leyes de los Gases: Ser capaz de aplicar las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, recordando usar presiones absolutas y temperaturas en kelvin.
• Cálculos Hidráulicos: Ser capaz de calcular fuerza, presión y área usando el principio de Pascal, y comprender el efecto de las áreas del pistón y del vástago en la fuerza del actuador.
• Esfuerzo y Deformación: Ser capaz de calcular esfuerzo, deformación y elongación usando el Módulo de Young, y comprender el concepto de fatiga.
• Ley de Ohm y Circuitos en Serie: Ser capaz de calcular resistencia, corriente y voltaje en circuitos de CC simples, incluyendo el efecto de la resistencia interna.
• Principio de Bernoulli: Comprender la relación entre la velocidad y la presión estática, y su aplicación en sistemas pitot-estáticos y venturis.
• Fuerzas en el Vuelo: Comprender el equilibrio de fuerzas en un ascenso constante y la relación entre empuje, resistencia, sustentación y peso.
• Transferencia de Calor: Ser capaz de calcular la energía térmica usando la capacidad calorífica específica y comprender los tres modos de transferencia de calor.
• Movimiento Rotacional: Ser capaz de calcular la energía cinética rotacional y el par motor.