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El vuelo o vuelo es el proceso por el cual un objeto se desplaza a través de un espacio sin entrar en contacto con ninguna superficie planetaria , ya sea dentro de una atmósfera (es decir, vuelo aéreo o aviación ) o a través del vacío del espacio exterior (es decir, vuelo espacial ). Esto se puede lograr generando sustentación aerodinámica asociada con el planeo o empuje propulsor , aerostáticamente utilizando flotabilidad , o mediante movimiento balístico .
Muchas cosas pueden volar, desde animales aviadores como pájaros , murciélagos e insectos , hasta planeadores/paracaidistas naturales como animales patagiales , semillas anemócoras y balistosporas , hasta inventos humanos como aeronaves ( aviones , helicópteros , dirigibles , globos , etc.) y cohetes que pueden propulsar naves espaciales y aviones espaciales .
Los aspectos de ingeniería del vuelo son competencia de la ingeniería aeroespacial , que se subdivide en aeronáutica , el estudio de los vehículos que viajan a través de la atmósfera, astronáutica , el estudio de los vehículos que viajan a través del espacio, y balística , el estudio del vuelo de proyectiles.
Los humanos han logrado construir vehículos más ligeros que el aire, que se elevan del suelo y vuelan, debido a su flotabilidad en el aire.
Un aerostato es un sistema que se mantiene en el aire principalmente mediante el uso de la flotabilidad para dar a una aeronave la misma densidad general que el aire. Los aerostatos incluyen globos libres , dirigibles y globos amarrados . El componente estructural principal de un aerostato es su envoltura, una piel liviana que encierra un volumen de gas de elevación [1] [2] para proporcionar flotabilidad , a la que se unen otros componentes.
Los aerostatos reciben ese nombre porque utilizan la sustentación "aerostática", una fuerza de flotación que no requiere un movimiento lateral a través de la masa de aire circundante para generar una fuerza de sustentación. Por el contrario, los aerodinos utilizan principalmente la sustentación aerodinámica , que requiere el movimiento lateral de al menos una parte de la aeronave a través de la masa de aire circundante.
Algunas cosas que vuelan no generan empuje propulsor a través del aire, por ejemplo, la ardilla voladora . Esto se denomina planeo . Algunas otras cosas pueden aprovechar el aire ascendente para trepar, como las aves rapaces (cuando planean) y los planeadores artificiales . Esto se denomina vuelo a vela . Sin embargo, la mayoría de las demás aves y todas las aeronaves a motor necesitan una fuente de propulsión para trepar. Esto se denomina vuelo propulsado.
Los únicos grupos de seres vivos que utilizan el vuelo propulsado son las aves , los insectos y los murciélagos , mientras que muchos grupos han desarrollado el planeo. Los pterosaurios extintos , un orden de reptiles contemporáneos de los dinosaurios , también fueron animales voladores muy exitosos, [3] y aparentemente hubo algunos dinosaurios voladores (ver Animales voladores y planeadores#Dinosaurios no aviares ). Las alas de cada uno de estos grupos evolucionaron de forma independiente , siendo los insectos el primer grupo animal en desarrollar el vuelo. [4] Las alas de los grupos de vertebrados voladores se basan todas en las extremidades anteriores, pero difieren significativamente en su estructura; se plantea la hipótesis de que las alas de los insectos son versiones altamente modificadas de las estructuras que forman las branquias en la mayoría de los otros grupos de artrópodos . [3]
Los murciélagos son los únicos mamíferos capaces de mantener un vuelo horizontal (véase vuelo de murciélago ). [5] Sin embargo, hay varios mamíferos planeadores que son capaces de planear de árbol en árbol utilizando membranas carnosas entre sus extremidades; algunos pueden viajar cientos de metros de esta manera con muy poca pérdida de altura. Las ranas voladoras utilizan patas palmeadas muy agrandadas para un propósito similar, y hay lagartos voladores que despliegan sus costillas móviles en un par de superficies de planeo planas. Las serpientes "voladoras" también utilizan costillas móviles para aplanar su cuerpo en una forma aerodinámica, con un movimiento de ida y vuelta muy similar al que utilizan en el suelo.
Los peces voladores pueden planear utilizando aletas agrandadas similares a alas y se los ha observado volando cientos de metros. Se cree que esta capacidad fue elegida por selección natural porque era un medio eficaz de escape de los depredadores submarinos. El vuelo más largo registrado de un pez volador fue de 45 segundos. [6]
La mayoría de las aves vuelan ( ver vuelo de las aves ), con algunas excepciones. Las aves más grandes, el avestruz y el emú , son aves terrestres no voladoras , al igual que los dodos ahora extintos y los forusrácidos , que fueron los depredadores dominantes de América del Sur en la era Cenozoica . Los pingüinos no voladores tienen alas adaptadas para su uso bajo el agua y utilizan los mismos movimientos de las alas para nadar que la mayoría de las otras aves utilizan para volar. [ cita requerida ] La mayoría de las aves pequeñas no voladoras son nativas de islas pequeñas y llevan un estilo de vida en el que el vuelo ofrecería pocas ventajas.
Entre los animales vivos que vuelan, el albatros errante tiene la mayor envergadura, hasta 3,5 metros (11 pies); la avutarda tiene el mayor peso, llegando a los 21 kilogramos (46 libras). [7]
La mayoría de las especies de insectos pueden volar cuando son adultos. El vuelo de los insectos utiliza uno de dos modelos aerodinámicos básicos: la creación de un vórtice de borde de ataque, que se encuentra en la mayoría de los insectos, y el uso del aplauso y el lanzamiento , que se encuentra en insectos muy pequeños como los trips . [8] [9]
Muchas especies de arañas , ácaros y lepidópteros utilizan una técnica llamada vuelo en globo para aprovechar las corrientes de aire, como las térmicas , exponiendo sus finos hilos que son levantados por el viento y los campos eléctricos atmosféricos .
El vuelo mecánico es el uso de una máquina para volar. Estas máquinas incluyen aeronaves como aviones , planeadores , helicópteros , autogiros , dirigibles , globos , ornitópteros y naves espaciales . Los planeadores son capaces de volar sin motor. Otra forma de vuelo mecánico es el parasailing, donde un objeto similar a un paracaídas es tirado por un bote. En un avión, la sustentación es creada por las alas; la forma de las alas del avión está diseñada especialmente para el tipo de vuelo deseado. Hay diferentes tipos de alas: templadas, semitempladas, en flecha, rectangulares y elípticas. A las alas de un avión a veces se las llama perfil aerodinámico , que es un dispositivo que crea sustentación cuando el aire fluye a través de ellas.
El vuelo supersónico es un vuelo más rápido que la velocidad del sonido . El vuelo supersónico está asociado con la formación de ondas de choque que forman un estampido sónico que se puede escuchar desde el suelo [10] y que con frecuencia es alarmante. La creación de esta onda de choque requiere una cantidad significativa de energía; debido a esto, el vuelo supersónico es generalmente menos eficiente que el vuelo subsónico a aproximadamente el 85% de la velocidad del sonido.
El vuelo hipersónico es un vuelo a muy alta velocidad en el que el calor generado por la compresión del aire debido al movimiento a través del aire provoca cambios químicos en el aire. El vuelo hipersónico se logra principalmente mediante el reingreso de naves espaciales como el transbordador espacial y la Soyuz .
Algunas cosas generan poca o ninguna sustentación y se mueven solo o principalmente bajo la acción del impulso, la gravedad, la resistencia del aire y, en algunos casos, el empuje. Esto se denomina vuelo balístico . Algunos ejemplos incluyen pelotas , flechas , balas , fuegos artificiales , etc.
Los vuelos espaciales, que son en esencia una forma extrema de vuelo balístico, consisten en el uso de tecnología espacial para lograr el vuelo de naves espaciales hacia y a través del espacio exterior . Algunos ejemplos son los misiles balísticos , los vuelos espaciales orbitales , etc.
Los vuelos espaciales se utilizan en la exploración espacial y también en actividades comerciales como el turismo espacial y las telecomunicaciones por satélite . Otros usos no comerciales de los vuelos espaciales incluyen observatorios espaciales , satélites de reconocimiento y otros satélites de observación de la Tierra .
Un vuelo espacial comienza típicamente con el lanzamiento de un cohete , que proporciona el empuje inicial para superar la fuerza de la gravedad e impulsa la nave espacial desde la superficie de la Tierra. [11] Una vez en el espacio, el movimiento de una nave espacial, tanto cuando no está propulsada como cuando está bajo propulsión, está cubierto por el área de estudio llamada astrodinámica . Algunas naves espaciales permanecen en el espacio indefinidamente, algunas se desintegran durante la reentrada atmosférica y otras alcanzan una superficie planetaria o lunar para aterrizar o impactar.
En 2018, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lograron volar un avión sin partes móviles, impulsado por un " viento iónico " también conocido como empuje electroaerodinámico. [12] [13]
Muchas culturas humanas han construido dispositivos que vuelan, desde los primeros proyectiles como piedras y lanzas, [14] [15] el bumerán en Australia , la linterna de aire caliente Kongming y las cometas .
George Cayley estudió el vuelo científicamente en la primera mitad del siglo XIX, [16] [17] [18] y en la segunda mitad del siglo XIX Otto Lilienthal realizó más de 200 vuelos de planeo y también fue uno de los primeros en comprender el vuelo científicamente. Su trabajo fue replicado y ampliado por los hermanos Wright , quienes realizaron vuelos de planeo y, finalmente, los primeros vuelos tripulados, controlados y ampliados. [19]
Los vuelos espaciales, en particular los vuelos tripulados, se convirtieron en una realidad en el siglo XX tras los avances teóricos y prácticos de Konstantin Tsiolkovsky y Robert H. Goddard . El primer vuelo espacial orbital tuvo lugar en 1957, [20] y Yuri Gagarin viajó a bordo del primer vuelo espacial orbital tripulado en 1961. [21]
Existen diferentes enfoques para el vuelo. Si un objeto tiene una densidad menor que el aire, entonces es flotante y puede flotar en el aire sin gastar energía. Una nave más pesada que el aire , conocida como aerodino , incluye animales voladores e insectos, aeronaves de ala fija y helicópteros . Debido a que la nave es más pesada que el aire, debe generar sustentación para superar su peso . La resistencia del viento causada por la nave que se mueve a través del aire se llama resistencia y se supera mediante el empuje propulsor , excepto en el caso del planeo .
Algunos vehículos también utilizan el empuje en lugar de la sustentación; por ejemplo, los cohetes y los aviones de salto Harrier .
Las fuerzas relevantes para el vuelo son [22]
Estas fuerzas deben estar equilibradas para que se produzca un vuelo estable.
Un avión de ala fija genera empuje hacia adelante cuando el aire es empujado en la dirección opuesta al vuelo. Esto se puede hacer de varias maneras, incluyendo mediante las palas giratorias de una hélice , o un ventilador giratorio que empuja el aire hacia afuera desde la parte trasera de un motor a reacción , o expulsando gases calientes de un motor de cohete . [23] El empuje hacia adelante es proporcional a la masa de la corriente de aire multiplicada por la diferencia de velocidad de la corriente de aire. El empuje inverso se puede generar para ayudar a frenar después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de la hélice de paso variable, o usando un inversor de empuje en un motor a reacción. Los aviones de ala giratoria y los aviones V/STOL con vectorización de empuje utilizan el empuje del motor para soportar el peso del avión, y la suma vectorial de este empuje hacia adelante y hacia atrás para controlar la velocidad de avance.
En el contexto de un flujo de aire relativo a un cuerpo volador, la fuerza de sustentación es el componente de la fuerza aerodinámica que es perpendicular a la dirección del flujo. [24] La sustentación aerodinámica resulta cuando el ala hace que el aire circundante se desvíe; el aire entonces provoca una fuerza sobre el ala en la dirección opuesta, de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Newton .
La sustentación se asocia comúnmente con el ala de una aeronave , aunque la sustentación también es generada por los rotores de los helicópteros (que son efectivamente alas giratorias, que realizan la misma función sin requerir que la aeronave se mueva hacia adelante a través del aire). Si bien los significados comunes de la palabra "sustentación" sugieren que la sustentación se opone a la gravedad, la sustentación aerodinámica puede darse en cualquier dirección. Cuando una aeronave está volando , por ejemplo, la sustentación se opone a la gravedad, pero la sustentación se produce en un ángulo cuando asciende, desciende o se inclina. En los automóviles de alta velocidad, la fuerza de sustentación se dirige hacia abajo (llamada "fuerza descendente") para mantener el automóvil estable en la carretera.
En el caso de un objeto sólido que se mueve a través de un fluido, la resistencia es el componente de la fuerza aerodinámica o hidrodinámica neta que actúa en sentido opuesto a la dirección del movimiento. [25] [26] [27] [28] Por lo tanto, la resistencia se opone al movimiento del objeto y, en un vehículo motorizado, debe ser superada por el empuje . El proceso que crea la sustentación también provoca cierta resistencia.
La sustentación aerodinámica se crea por el movimiento de un objeto aerodinámico (ala) a través del aire, que debido a su forma y ángulo desvía el aire. Para un vuelo recto y nivelado sostenido, la sustentación debe ser igual y opuesta al peso. En general, las alas largas y estrechas pueden desviar una gran cantidad de aire a baja velocidad, mientras que las alas más pequeñas necesitan una mayor velocidad de avance para desviar una cantidad equivalente de aire y, por lo tanto, generar una cantidad equivalente de sustentación. Los aviones de carga grandes tienden a utilizar alas más largas con ángulos de ataque más altos, mientras que los aviones supersónicos tienden a tener alas cortas y dependen en gran medida de una alta velocidad de avance para generar sustentación.
Sin embargo, este proceso de sustentación (desviación) inevitablemente causa una fuerza retardante llamada resistencia. Debido a que tanto la sustentación como la resistencia son fuerzas aerodinámicas, la relación entre sustentación y resistencia es una indicación de la eficiencia aerodinámica del avión. La relación sustentación/resistencia es la relación L/D, que se pronuncia "L over D ratio". Un avión tiene una relación L/D alta si produce una gran cantidad de sustentación o una pequeña cantidad de resistencia. La relación sustentación/resistencia se determina dividiendo el coeficiente de sustentación por el coeficiente de resistencia, CL/CD. [29]
El coeficiente de sustentación Cl es igual a la sustentación L dividida por (la densidad r por la mitad de la velocidad V al cuadrado por el área del ala A). [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] El coeficiente de sustentación también se ve afectado por la compresibilidad del aire, que es mucho mayor a velocidades más altas, por lo que la velocidad V no es una función lineal. La compresibilidad también se ve afectada por la forma de las superficies de la aeronave. [30]
El coeficiente de arrastre Cd es igual al arrastre D dividido por (la densidad r por la mitad de la velocidad V al cuadrado por el área de referencia A). [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)] [31]
Las relaciones sustentación-resistencia para aeronaves prácticas varían desde aproximadamente 4:1 para vehículos y aves con alas relativamente cortas, hasta 60:1 o más para vehículos con alas muy largas, como planeadores. Un mayor ángulo de ataque en relación con el movimiento hacia adelante también aumenta el grado de deflexión y, por lo tanto, genera sustentación adicional. Sin embargo, un mayor ángulo de ataque también genera resistencia adicional.
La relación sustentación/resistencia también determina la relación de planeo y el rango de planeo. Dado que la relación de planeo se basa únicamente en la relación de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la aeronave, el peso de la misma no la afectará. El único efecto que tiene el peso es variar el tiempo que la aeronave planeará: una aeronave más pesada que planee a una mayor velocidad aerodinámica llegará al mismo punto de aterrizaje en un tiempo más corto. [32]
La presión del aire que actúa contra un objeto en el aire es mayor que la presión que lo empuja hacia abajo. La flotabilidad, en ambos casos, es igual al peso del fluido desplazado: el principio de Arquímedes se aplica tanto al aire como al agua.
Un metro cúbico de aire a presión atmosférica normal y temperatura ambiente tiene una masa de aproximadamente 1,2 kilogramos, por lo que su peso es de aproximadamente 12 newtons . Por lo tanto, cualquier objeto de 1 metro cúbico en el aire se eleva con una fuerza de 12 newtons. Si la masa del objeto de 1 metro cúbico es mayor que 1,2 kilogramos (por lo que su peso es mayor que 12 newtons), cae al suelo al soltarlo. Si un objeto de este tamaño tiene una masa menor que 1,2 kilogramos, se eleva en el aire. Cualquier objeto que tenga una masa menor que la masa de un volumen igual de aire se elevará en el aire; en otras palabras, cualquier objeto menos denso que el aire se elevará.
La relación empuje-peso es, como su nombre lo sugiere, la relación entre el empuje instantáneo y el peso (donde peso significa peso a la aceleración estándar de la Tierra ). [33] Es un parámetro adimensional característico de los cohetes y otros motores a reacción y de los vehículos propulsados por dichos motores (normalmente vehículos de lanzamiento espacial y aviones a reacción ).
Si la relación empuje-peso es mayor que la fuerza de la gravedad local (expresada en g s), entonces el vuelo puede ocurrir sin ningún movimiento hacia adelante ni se requiere ninguna elevación aerodinámica.
Si la relación empuje-peso multiplicada por la relación sustentación-resistencia es mayor que la gravedad local, entonces es posible despegar utilizando sustentación aerodinámica.
La dinámica de vuelo es la ciencia que estudia la orientación y el control de los vehículos aéreos y espaciales en tres dimensiones. Los tres parámetros críticos de la dinámica de vuelo son los ángulos de rotación en tres dimensiones sobre el centro de masa del vehículo , conocidos como cabeceo , balanceo y guiñada (consulte las rotaciones de Tait-Bryan para obtener una explicación).
El control de estas dimensiones puede implicar un estabilizador horizontal (es decir, "una cola"), alerones y otros dispositivos aerodinámicos móviles que controlan la estabilidad angular, es decir, la actitud de vuelo (que a su vez afecta la altitud y el rumbo ). Las alas suelen estar ligeramente inclinadas hacia arriba: tienen un " ángulo diedro positivo " que proporciona una estabilización inherente del balanceo.
Para generar empuje para poder ganar altura y para impulsarse a través del aire y superar la resistencia asociada a la sustentación, se necesita energía. Los distintos objetos y criaturas capaces de volar varían en la eficiencia de sus músculos, motores y en la eficacia con la que esto se traduce en empuje hacia adelante.
La eficiencia de propulsión determina cuánta energía generan los vehículos a partir de una unidad de combustible. [34] [35]
El alcance que pueden alcanzar los artículos de vuelo motorizado está limitado en última instancia por su resistencia, así como por la cantidad de energía que pueden almacenar a bordo y la eficiencia con la que pueden convertir esa energía en propulsión. [36]
En el caso de los aviones con motor, la energía útil está determinada por su fracción de combustible (qué porcentaje del peso de despegue es combustible) y la energía específica del combustible utilizado.
Todos los animales y dispositivos capaces de volar de forma sostenida necesitan relaciones potencia-peso relativamente altas para poder generar suficiente sustentación y/o empuje para lograr el despegue.
Los vehículos que pueden volar pueden tener diferentes formas de despegar y aterrizar . Los aviones convencionales aceleran a lo largo del suelo hasta que se genera suficiente sustentación para el despegue y revierten el proceso para aterrizar . Algunos aviones pueden despegar a baja velocidad; esto se llama despegue corto. Algunas aeronaves, como los helicópteros y los aviones de salto Harrier, pueden despegar y aterrizar verticalmente. Los cohetes también suelen despegar y aterrizar verticalmente, pero algunos diseños pueden aterrizar horizontalmente.
La navegación son los sistemas necesarios para calcular la posición actual (por ejemplo , brújula , GPS , LORAN , rastreador de estrellas , unidad de medición inercial y altímetro ).
En materia de aviación, una navegación aérea exitosa implica pilotar una aeronave de un lugar a otro sin perderse, infringir las leyes que se aplican a las aeronaves o poner en peligro la seguridad de quienes se encuentran a bordo o en tierra .
Las técnicas utilizadas para la navegación aérea dependerán de si la aeronave vuela bajo las reglas de vuelo visual (VFR) o bajo las reglas de vuelo instrumental (IFR). En este último caso, el piloto navegará exclusivamente utilizando instrumentos y ayudas a la navegación por radio, como balizas, o siguiendo las indicaciones del control de tráfico aéreo bajo control radar . En el caso VFR, el piloto navegará principalmente utilizando la estimación de la posición del avión combinada con observaciones visuales (conocidas como pilotaje ), con referencia a mapas apropiados. Esto puede complementarse con ayudas a la navegación por radio.
Un sistema de guía es un dispositivo o grupo de dispositivos utilizados en la navegación de un barco , una aeronave , un misil , un cohete , un satélite u otro objeto en movimiento. Normalmente, la guía se encarga del cálculo del vector (es decir, la dirección, la velocidad) hacia un objetivo.
Un sistema de control de vuelo de una aeronave de ala fija convencional consta de superficies de control de vuelo , los controles de cabina correspondientes, los enlaces de conexión y los mecanismos operativos necesarios para controlar la dirección de una aeronave en vuelo. Los controles del motor de la aeronave también se consideran controles de vuelo, ya que cambian la velocidad.
En el caso de las aeronaves, el tráfico aéreo está controlado por sistemas de control de tráfico aéreo .
La prevención de colisiones es el proceso de controlar las naves espaciales para intentar prevenir colisiones.
La seguridad aérea es un término que engloba la teoría, la investigación y la clasificación de las fallas en los vuelos , así como la prevención de dichas fallas mediante la reglamentación, la educación y la capacitación. También puede aplicarse en el contexto de campañas que informan al público sobre la seguridad de los viajes aéreos .
Sir George Cayley es una de las personas más importantes en la historia de la aeronáutica. Muchos lo consideran el primer investigador aéreo científico verdadero y la primera persona en comprender los principios y las fuerzas subyacentes del vuelo.
Sir George Cayley, a veces llamado el "Padre de la aviación". Pionero en su campo, se le atribuye el primer gran avance en el vuelo de objetos más pesados que el aire. Fue el primero en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo (peso, sustentación, resistencia y empuje) y su relación, y también el primero en construir un planeador capaz de transportar personas con éxito.
es a veces llamado el Padre de la Aviación. Pionero en su campo, Cayley literalmente tuvo dos grandes brotes de creatividad aeronáutica, separados por años durante los cuales hizo poco con el tema. Fue el primero en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo: peso, sustentación, resistencia y empuje y su relación. También fue el primero en construir un planeador con éxito para transportar humanos. Cayley describió muchos de los conceptos y elementos del aeroplano moderno y fue el primero en comprender y explicar en términos de ingeniería los conceptos de sustentación y empuje.
Guía de viajes en avión de Wikivoyage
