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Un dron típico tiene cuatro rotores. Al variar la potencia de estos cuatro motores, el dron puede flotar, ascender, descender y girar.
Soy dueño de un dron. Tal vez tú también. Siempre me e preguntado cómo vuelan los drones. Los drones son bastante populares en la actualidad, y puedes conseguir uno bueno sin gastar mucho dinero.
Los drones pequeños pueden flotar y volar en casi cualquier dirección, lo que los hace excelentes para grabar videos. Pero, ¿Cómo vuelan realmente los drones? Esta es una excelente oportunidad para aprender un poco de física.
Movimiento vertical
Los drones utilizan rotores para la propulsión y el control. Puedes pensar en un rotor como un ventilador, porque funcionan más o menos igual. Las aspas giratorias empujan el aire hacia abajo. Por supuesto, todas las fuerzas vienen en pares, lo que significa que cuando el rotor empuja el aire hacia abajo, el aire empuja hacia arriba el rotor. Esta es la idea básica detrás de la sustentación, que se reduce a controlar la fuerza hacia arriba y hacia abajo. Cuanto más rápido giran los rotores, mayor es la sustentación y viceversa.
Ahora, un dron puede hacer tres cosas en el plano vertical: flotar, ascender o descender. Para flotar, el empuje neto de los cuatro rotores que empujan el dron hacia arriba debe ser igual a la fuerza gravitacional que lo empuja hacia abajo. Fácil. Entonces simplemente aumenta la velocidad de los cuatro rotores para que haya una fuerza ascendente distinta de cero que sea mayor que el peso. Después de eso, puedes disminuir un poco el la velocidad, pero ahora hay tres fuerzas en el dron: peso, empuje y resistencia del aire. Por lo tanto, aún necesitarás que los propulsores sean más grandes que solo para un vuelo estacionario.
Descender requiere hacer exactamente lo contrario: simplemente disminuye la velocidad para que la fuerza sea hacia abajo.
Girando (rotando)
Supongamos que tiene un dron suspendido apuntando hacia el norte y desea girarlo para que mire hacia el este. ¿Cómo logras esto cambiando la potencia a los cuatro rotores? Antes de responder, dibujaré un diagrama de los rotores (vistos desde arriba) etiquetados del 1 al 4.
En esta configuración, los rotores rojos giran en sentido contrario a las agujas del reloj y los verdes giran en el sentido de las agujas del reloj. Con los dos conjuntos de rotores girando en direcciones opuestas, el momento angular total es cero. El momento angular es similar al momento lineal y se calcula multiplicando la velocidad angular por el momento de inercia. ¿Cuál es el momento de inercia? Es similar a la masa, excepto que se trata de la rotación. Sí, , pero todo lo que necesitas saber es que el momento angular depende de qué tan rápido giren los rotores.
Si no hay torque en el sistema (el sistema aquí es el dron), entonces el momento angular total debe permanecer constante (cero en este caso). Sólo para facilitar la comprensión, diré que los rotores rojos en el sentido contrario a las agujas del reloj tienen un momento angular positivo y los rotores verdes en el sentido de las agujas del reloj tienen un momento angular negativo. Asignaré a cada rotor un valor de +2, +2, -2, -2, que suma cero.
Para rotar el dron sin crear todos esos otros problemas, disminuya el giro de los rotores 1 y 3 y aumente el giro de los rotores 2 y 4. El momento angular de los rotores todavía no suma cero, por lo que el cuerpo del dron debe girar . Pero la fuerza total permanece igual a la fuerza gravitacional y el dron continúa flotando. Dado que los rotores de empuje inferiores están diagonalmente opuestos entre sí, el dron aún puede mantenerse equilibrado.
Hacia adelante y hacia los lados
¿Cuál es la diferencia entre avanzar o retroceder? Ninguno, porque el dron es simétrico. Lo mismo es válido para el movimiento de lado a lado. Básicamente, explicar cómo avanzar también explica cómo retroceder o hacia cualquier lado.
¿Cómo llevas el dron a esta posición? Podrías aumentar la velocidad de rotación de los rotores 3 y 4 (los traseros) y disminuir la velocidad de los rotores 1 y 2. La fuerza de empuje total seguirá siendo igual al peso, por lo que el dron permanecerá en el mismo nivel vertical. Además, dado que uno de los rotores traseros gira en sentido contrario a las agujas del reloj y el otro en el sentido de las agujas del reloj, el aumento de la rotación de esos rotores seguirá produciendo un momento angular cero. Lo mismo ocurre con los rotores delanteros, por lo que el dron no gira. Sin embargo, la mayor fuerza en la parte posterior del dron significa que se inclinará hacia adelante. Ahora, un ligero aumento en el empuje de todos los rotores producirá una fuerza de empuje que tiene un componente para equilibrar el peso junto con un componente de movimiento hacia adelante.
Usando un pórtatil
A estas alturas, seguramente habrá notado que cada movimiento se logra cambiando la velocidad de giro de uno o más rotores. Hacer eso simplemente requiere un mando que pueda aumentar o disminuir el voltaje de cada motor. Eso no es demasiado difícil de configurar. Pero imagina esto: tienes un dron con 4 mandos. Necesitarías un mando para cada nivel de potencia del motor. Sería muy difícil ajustar manualmente la potencia de cada motor para lograr el movimiento deseado.
Sin embargo, si tiene algún tipo de sistema de control en el pórtatil, puedes empujar un joystick con el pulgar y dejar que el pórtatil maneje todo eso. Un acelerómetro y un giroscopio en el dron pueden aumentar más la facilidad y la estabilidad del vuelo al hacer ajustes minuciosos en la potencia de cada rotor. Agregue un sistema GPS y prácticamente puedes deshacerte por completo. Así que puedes ver que volar un dron es bastante fácil si dejas que el pórtatil haga todo el trabajo. Pero aún así es bueno entender la física que hay detrás.
Preguntas más frecuentes
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