El vuelo planeado es un vuelo más pesado que el aire sin el uso de empuje ; el término "volplaning" también se refiere a este modo de vuelo en animales. [1] Lo emplean los animales que planean y las aeronaves como los planeadores . Este modo de vuelo implica volar una distancia significativa horizontalmente en comparación con su descenso y, por lo tanto, se puede distinguir de un descenso descendente principalmente recto como un paracaídas redondo.
Aunque la aplicación humana del vuelo planeado generalmente se refiere a aeronaves diseñadas para este propósito, la mayoría de las aeronaves con motor son capaces de planear sin potencia del motor. Al igual que con el vuelo sostenido, el planeo generalmente requiere la aplicación de un perfil aerodinámico , como las alas de las aeronaves o los pájaros, o la membrana de planeo de una zarigüeya planeadora . Sin embargo, el planeo se puede lograr con un ala plana ( sin curvatura ), como con un simple avión de papel , [2] o incluso con el lanzamiento de cartas . Sin embargo, algunas aeronaves con cuerpos sustentadores y animales como la serpiente voladora pueden lograr el vuelo planeado sin alas creando una superficie aplanada debajo.
La mayoría de los aviones con alas pueden planear hasta cierto punto, pero hay varios tipos de aviones diseñados para planear:
La principal aplicación humana actualmente es recreativa, aunque durante la Segunda Guerra Mundial se utilizaron planeadores militares para transportar tropas y equipo a la batalla. Los tipos de aeronaves que se utilizan para deporte y recreación se clasifican como planeadores (veleros) , ala delta y parapentes . Estos dos últimos tipos a menudo se lanzan con los pies. El diseño de los tres tipos les permite ascender repetidamente utilizando el aire ascendente y luego planear antes de encontrar la siguiente fuente de sustentación. Cuando se realiza en planeadores (veleros), el deporte se conoce como vuelo a vela y, a veces, como vuelo sin motor. Para las aeronaves lanzadas con los pies, se conoce como ala delta y parapente . Los entusiastas también vuelan planeadores radiocontrolados con alas fijas.
Además de los planeadores motorizados , algunas aeronaves con motor están diseñadas para realizar planeos rutinarios durante parte de su vuelo, generalmente al aterrizar después de un período de vuelo con motor. Entre ellas se incluyen:
Las aeronaves que no están diseñadas para planear pueden verse obligadas a realizar un vuelo planeado en caso de emergencia, como una falla de motor o un agotamiento del combustible. Consulte la lista de vuelos de aerolíneas que requieren un vuelo planeado . El planeo en un helicóptero se denomina autorrotación .
Varios animales han desarrollado el planeo por separado en muchas ocasiones, sin un único ancestro. Las aves, en particular, utilizan el vuelo planeado para minimizar el uso de energía. Las aves de gran tamaño son especialmente hábiles para planear, entre ellas:
Al igual que las aeronaves recreativas, las aves pueden alternar períodos de planeo con períodos de planeo en el aire ascendente , y así pasar un tiempo considerable en el aire con un gasto mínimo de energía. La gran fragata en particular es capaz de realizar vuelos continuos durante varias semanas. [3]
Para facilitar el planeo, algunos mamíferos han desarrollado una estructura llamada patagio . Se trata de una estructura membranosa que se encuentra estirada entre una serie de partes del cuerpo. Está más desarrollada en los murciélagos. Por razones similares a las de las aves, los murciélagos pueden planear de manera eficiente. En los murciélagos, la piel que forma la superficie del ala es una extensión de la piel del abdomen que se extiende hasta la punta de cada dedo, uniendo la extremidad anterior con el cuerpo. El patagio de un murciélago tiene cuatro partes distintas:
Otros mamíferos, como las zarigüeyas planeadoras y las ardillas voladoras, también planean utilizando un patagio, pero con mucha menor eficiencia que los murciélagos. No pueden ganar altura. El animal se lanza desde un árbol, extendiendo sus ramas para exponer las membranas de planeo, generalmente para ir de un árbol a otro en las selvas tropicales como un medio eficiente tanto para localizar comida como para evadir a los depredadores. Esta forma de locomoción arbórea es común en regiones tropicales como Borneo y Australia, donde los árboles son altos y están muy espaciados.
En las ardillas voladoras, el patagio se extiende desde las extremidades anteriores hasta las posteriores a lo largo de cada lado del torso. En el petauro del azúcar , el patagio se extiende desde el quinto dedo de cada mano hasta el primer dedo de cada pata. Esto crea un perfil aerodinámico que les permite planear 50 metros o más. [4] Este vuelo planeado se regula cambiando la curvatura de la membrana o moviendo las patas y la cola. [5]
Además de los mamíferos y las aves, otros animales, en particular los peces voladores , las serpientes voladoras , las ranas voladoras y los calamares voladores, también planean.
Los vuelos de los peces voladores suelen ser de alrededor de 50 metros (160 pies), [6] aunque pueden usar corrientes ascendentes en el borde delantero de las olas para cubrir distancias de hasta 400 m (1.300 pies). [6] [7] Para planear hacia arriba fuera del agua, un pez volador mueve su cola hasta 70 veces por segundo. [8] Luego extiende sus aletas pectorales y las inclina ligeramente hacia arriba para proporcionar elevación. [9] Al final de un planeo, pliega sus aletas pectorales para volver a entrar en el mar, o deja caer su cola en el agua para empujar contra el agua y elevarse para otro planeo, posiblemente cambiando de dirección. [8] [9] El perfil curvo del "ala" es comparable a la forma aerodinámica del ala de un pájaro. [10] El pez puede aumentar su tiempo en el aire volando directamente o en un ángulo con la dirección de las corrientes ascendentes creadas por una combinación de corrientes de aire y oceánicas . [8] [9]
Las serpientes del género Chrysopelea también son conocidas por el nombre común de "serpiente voladora". Antes de lanzarse desde una rama, la serpiente hace una curva en forma de J. Después de empujar su cuerpo hacia arriba y lejos del árbol, succiona su abdomen y ensancha sus costillas para convertir su cuerpo en una "ala pseudocóncava", [11] todo el tiempo haciendo un movimiento serpenteante continuo de ondulación lateral [12] paralelo al suelo [13] para estabilizar su dirección en el aire para aterrizar de manera segura. [14] Las serpientes voladoras pueden planear mejor que las ardillas voladoras y otros animales planeadores , a pesar de la falta de extremidades, alas o cualquier otra proyección similar a las alas, planeando a través del bosque y la jungla que habita con la distancia de hasta 100 m. [13] [15] Su destino se predice principalmente por balística ; sin embargo, pueden ejercer cierto control de actitud en vuelo "deslizándose" en el aire. [16]
Los lagartos voladores del género Draco son capaces de volar planeando mediante membranas que pueden extenderse para crear alas (patagia), formadas por un conjunto agrandado de costillas. [17]
El vuelo planeado ha evolucionado de forma independiente entre 3.400 especies de ranas [18] de las familias del Nuevo Mundo ( Hylidae ) y del Viejo Mundo ( Rhacophoridae ). [19] Esta evolución paralela se considera una adaptación a su vida en los árboles, a gran altura sobre el suelo. Las características de las especies del Viejo Mundo incluyen "manos y pies agrandados, membranas interdigitales completas entre todos los dedos de las manos y los pies, colgajos de piel laterales en los brazos y las piernas".
Tres fuerzas principales actúan sobre las aeronaves y los animales cuando planean: [20]
A medida que la aeronave o el animal desciende, el aire que se mueve sobre las alas genera sustentación . La fuerza de sustentación actúa ligeramente por delante de la vertical porque se crea en ángulos rectos con el flujo de aire que viene desde ligeramente por debajo a medida que el planeador desciende, véase ángulo de ataque . Este componente horizontal de la sustentación es suficiente para superar la resistencia y permite que el planeador acelere hacia adelante. Aunque el peso hace que la aeronave descienda, si el aire se eleva más rápido que la velocidad de descenso, habrá una ganancia de altitud.
La relación sustentación-resistencia, o relación L/D , es la cantidad de sustentación generada por un ala o vehículo, dividida por la resistencia que crea al moverse por el aire. Una relación L/D más alta o más favorable suele ser uno de los principales objetivos en el diseño de aeronaves; dado que la sustentación necesaria de una aeronave en particular está determinada por su peso, proporcionar esa sustentación con una resistencia menor conduce directamente a un mejor ahorro de combustible y rendimiento en ascenso.
El efecto de la velocidad aerodinámica en la velocidad de descenso se puede representar mediante una curva polar . Estas curvas muestran la velocidad aerodinámica en la que se puede lograr la caída mínima y la velocidad aerodinámica con la mejor relación L/D. La curva tiene forma de U invertida. A medida que se reduce la velocidad, la cantidad de sustentación cae rápidamente alrededor de la velocidad de pérdida. El pico de la "U" se encuentra en la resistencia mínima.
Como la sustentación y la resistencia son ambas proporcionales al coeficiente de sustentación y resistencia respectivamente multiplicado por el mismo factor (1/2 ρ aire v 2 S), la relación L/D se puede simplificar al coeficiente de sustentación dividido por el coeficiente de resistencia o Cl/Cd, y como ambas son proporcionales a la velocidad del aire, la relación L/D o Cl/Cd se grafica típicamente contra el ángulo de ataque.
La resistencia inducida es causada por la generación de sustentación por parte del ala. La sustentación generada por un ala es perpendicular al viento relativo, pero como las alas normalmente vuelan con un pequeño ángulo de ataque , esto significa que un componente de la fuerza se dirige hacia atrás. El componente hacia atrás de esta fuerza (paralelo al viento relativo) se considera resistencia. A bajas velocidades, un avión tiene que generar sustentación con un ángulo de ataque mayor, lo que genera una mayor resistencia inducida. Este término predomina en el lado de baja velocidad del gráfico de resistencia, el lado izquierdo de la U.
La resistencia del perfil se produce cuando el aire golpea el ala y otras partes de la aeronave. Esta forma de resistencia, también conocida como resistencia del viento , varía con el cuadrado de la velocidad (consulte la ecuación de resistencia ). Por este motivo, la resistencia del perfil es más pronunciada a velocidades más altas y forma el lado derecho de la forma de U del gráfico de resistencia. La resistencia del perfil se reduce principalmente al reducir la sección transversal y la aerodinámica.
A medida que la sustentación aumenta de manera constante hasta el ángulo crítico, normalmente es el punto donde la resistencia combinada es más baja, cuando el ala o el avión alcanzan su mejor relación L/D.
Los diseñadores suelen seleccionar un diseño de ala que produzca un pico de L/D a la velocidad de crucero elegida para una aeronave de ala fija con motor, maximizando así la economía. Como todo en ingeniería aeronáutica , la relación sustentación-resistencia no es el único factor a tener en cuenta para el diseño de alas. El rendimiento en un ángulo de ataque alto y una pérdida de sustentación suave también son importantes.
Minimizar la resistencia es de particular interés en el diseño y operación de planeadores de alto rendimiento , los más grandes de los cuales pueden tener relaciones de planeo cercanas a 60 a 1, aunque muchos otros tienen un rendimiento menor; 25:1 se considera adecuado para uso de entrenamiento.
Cuando se vuela a una velocidad constante en aire en calma, un planeador se mueve hacia adelante una cierta distancia y hacia abajo una cierta distancia. La relación entre la distancia hacia adelante y hacia abajo se llama relación de planeo . La relación de planeo (E) es numéricamente igual a la relación sustentación-resistencia en estas condiciones, pero no es necesariamente igual durante otras maniobras, especialmente si la velocidad no es constante. La relación de planeo de un planeador varía con la velocidad aerodinámica, pero hay un valor máximo que se cita con frecuencia. La relación de planeo generalmente varía poco con la carga del vehículo; un vehículo más pesado planea más rápido, pero casi mantiene su relación de planeo. [21]
La relación de planeo (o "finesse") es la cotangente del ángulo descendente, el ángulo de planeo (γ). Alternativamente, también es la velocidad de avance dividida por la velocidad de caída (aviones sin motor):
El número de planeo (ε) es el recíproco de la relación de planeo, pero a veces se confunde.
Aunque la mejor relación de planeo es importante a la hora de medir el rendimiento de un avión planeador, su relación de planeo en un rango de velocidades también determina su éxito (ver artículo sobre planeo ).
Los pilotos a veces vuelan con la mejor relación de sustentación del avión controlando con precisión la velocidad aerodinámica y operando suavemente los controles para reducir la resistencia. Sin embargo, la fuerza de la próxima sustentación probable, la minimización del tiempo pasado en aire que desciende fuertemente y la fuerza del viento también afectan la velocidad óptima para volar . Los pilotos vuelan más rápido para atravesar rápidamente el aire que desciende y, cuando se dirigen hacia el viento, para optimizar el ángulo de planeo en relación con el suelo. Para lograr una mayor velocidad a campo traviesa, los planeadores (veleros) a menudo se cargan con lastre de agua para aumentar la velocidad aerodinámica y así llegar antes a la siguiente área de sustentación. Esto tiene poco efecto en el ángulo de planeo, ya que los aumentos en la tasa de caída y en la velocidad aerodinámica permanecen en proporción y, por lo tanto, el avión más pesado logra una relación de sustentación óptima a una velocidad aerodinámica más alta. Si las áreas de sustentación son fuertes ese día, los beneficios del lastre superan la menor tasa de ascenso.
Si el aire se eleva más rápido que la velocidad de descenso, el avión ascenderá. A velocidades más bajas, un avión puede tener una peor relación de planeo, pero también tendrá una menor tasa de descenso. Una baja velocidad aerodinámica también mejora su capacidad para girar con precisión en el centro del aire ascendente, donde la velocidad de ascenso es mayor. Una velocidad de descenso de aproximadamente 1,0 m/s es la máxima que un ala delta o parapente práctico podría tener antes de que limitara las ocasiones en las que era posible ascender solo cuando había aire en fuerte ascenso. Los planeadores (veleros) tienen tasas de descenso mínimas de entre 0,4 y 0,6 m/s, según la clase . Las aeronaves como los aviones de pasajeros pueden tener una mejor relación de planeo que un ala delta, pero rara vez podrían girar en térmica debido a su velocidad de avance mucho mayor y su tasa de descenso mucho mayor. (El Boeing 767 en el incidente del planeador de Gimli logró una relación de planeo de solo 12:1).
La pérdida de altura se puede medir a varias velocidades y trazar en una " curva polar " para calcular la mejor velocidad para volar en diversas condiciones, como cuando se vuela contra el viento o cuando el aire desciende. Se pueden medir otras curvas polares después de cargar el parapente con agua como lastre. A medida que aumenta la masa, la mejor relación de planeo se logra a velocidades más altas (la relación de planeo no aumenta).
Los animales y las aeronaves que planean pueden alternar planeos con períodos de planeo en aire ascendente . Se utilizan cinco tipos principales de sustentación: [30] térmicas , sustentación de crestas , ondas de sotavento , convergencias y planeo dinámico . El planeo dinámico lo utilizan predominantemente las aves y algunos modelos de aviones, aunque también lo han logrado en raras ocasiones aeronaves pilotadas. [31]
Ejemplos de vuelo planeado por parte de las aves son el uso de:
Para los humanos, el vuelo a vela es la base de tres deportes aéreos : el vuelo sin motor , el ala delta y el parapente .
Sección 4.3
Hay cuatro tipos principales de sustentación que el piloto de vuelo a vela puede utilizar...
