Un avión de papel (también conocido como avión de papel o dardo de papel en inglés americano , o avión de papel en inglés británico ) es un avión de juguete , generalmente un planeador , hecho de una sola hoja de papel o cartón doblada . Por lo general, tiene la forma de un simple triángulo con la nariz pesada que se lanza como un dardo . [1]
El arte de plegar aviones de papel se remonta al siglo XIX, con raíces en varias culturas alrededor del mundo, donde se han utilizado para el entretenimiento, la educación e incluso como herramientas para comprender la aerodinámica.
La mecánica de los aviones de papel se basa en los principios fundamentales del vuelo, como la sustentación , el empuje , la resistencia y la gravedad . Al manipular estas fuerzas mediante diferentes técnicas y diseños de plegado, los entusiastas pueden crear aviones que presentan una amplia gama de características de vuelo, como distancia, estabilidad, agilidad y tiempo en el aire. Las competiciones y eventos dedicados al vuelo de aviones de papel destacan la habilidad y la creatividad que implica la elaboración del diseño perfecto, fomentando una comunidad de aficionados y educadores por igual.
Además de su atractivo recreativo, los aviones de papel sirven como herramientas educativas prácticas, que permiten a los estudiantes explorar conceptos de física e ingeniería. Ofrecen un enfoque práctico del aprendizaje, lo que hace que las ideas complejas sean más accesibles y atractivas. En general, los aviones de papel encapsulan una mezcla de arte, ciencia y diversión, lo que los convierte en un fenómeno único tanto en el juego infantil como en la exploración académica.
Se sabe que se fabricaron aviones de papel desde mediados del siglo XIX, según un libro infantil estadounidense que describe su construcción en 1864. [2]
La construcción de un avión de papel, realizada por Ludwig Prandtl en el banquete de 1924 de la Unión Internacional de Mecánica Teórica y Aplicada , fue descartada como un ejercicio sin arte por Theodore von Kármán : [3]
Prandtl también era algo impulsivo. Recuerdo que en una ocasión, durante una cena bastante solemne después de una conferencia en Delft, Holanda, mi hermana , que estaba sentada junto a él en la mesa, le hizo una pregunta sobre la mecánica del vuelo. Él empezó a explicarse; mientras lo hacía, cogió un menú de papel y armó un pequeño modelo de avión, sin pensar dónde estaba. El avión aterrizó en la pechera de la camisa del Ministro de Educación francés, para gran vergüenza de mi hermana y de otros asistentes al banquete.
En los últimos tiempos, los aviones modelo de papel han ganado una gran sofisticación y un rendimiento de vuelo muy alto, muy alejado de sus orígenes de origami, pero incluso los aviones de origami han ganado muchos diseños nuevos a lo largo de los años y han ganado mucho en términos de rendimiento de vuelo.
Ha habido muchas mejoras de diseño, incluidas la velocidad , la sustentación , la propulsión , [4] el estilo y la moda, a lo largo de los años siguientes.
Los planeadores de papel han experimentado tres formas de desarrollo en el período 1930-1988:
El desarrollo continuo de planeadores plegados/de origami durante el mismo período ha experimentado una sofisticación similar, incluida la incorporación de los siguientes refinamientos de construcción
Tecnología responsable [ cita requerida ] de la proliferación de la construcción avanzada de aviones de papel:
En comparación con la madera de balsa ( otro material comúnmente utilizado para fabricar modelos de aviones ), la densidad del papel es mayor; en consecuencia, los planeadores de papel para origami convencionales (ver arriba) sufren una mayor resistencia, así como cuerdas de ala imperfectamente aerodinámicas.
Sin embargo, a diferencia de los planeadores de balsa, los planeadores de papel tienen una relación resistencia-grosor mucho mayor: una hoja de papel de fotocopiadora / impresora láser de 80 g/ m2 de calidad de oficina, por ejemplo, tiene una resistencia aproximada a escala de la chapa de aluminio de calidad aeronáutica , mientras que la cartulina se aproxima a las propiedades del acero a escala de un modelo de avión de papel. [ cita requerida ]
Los aviones de papel de origami sin modificar tienen índices de planeo muy bajos , a menudo no mejores que 7,5:1, según la construcción y los materiales. La modificación de los planeadores de papel de origami puede llevar a mejoras notables en el rendimiento de vuelo, a costa del peso y, a menudo, con la inclusión de compromisos aerodinámicos y/o estructurales. A menudo, los aumentos en la carga alar pueden fomentar la ruptura del flujo laminar sobre un ala con una construcción híbrida de origami y pegada y encintada.
Los profesores Ninomiya y Mathews (ver las secciones a continuación) desarrollaron estrategias de diseño más dirigidas a finales de los años 1960 y en los años 1980. Anteriormente, los modelos de aviones de papel se habían diseñado sin hacer hincapié en el rendimiento en vuelo. Al utilizar el diseño aerodinámico y la dinámica de fluidos, ambos profesores pudieron diseñar modelos que superaron los criterios de rendimiento de vuelo anteriores por un margen muy amplio. Los rangos de vuelo aumentaron de los típicos 10 metros a más de 85 metros, dependiendo de la energía aplicada a los planeadores en el despegue.
En la actualidad, el trabajo de los dos profesores sigue siendo el último trabajo de investigación serio sobre la mejora del rendimiento de vuelo de los planeadores de papel. El trabajo en colaboración de los entusiastas a través de foros en línea y sitios web personales consiste principalmente en el desarrollo de estos tipos de planeadores originales.
En el campo del diseño de modelos a escala, existen actualmente muchas posibilidades de diseño avanzado. Los planeadores de perfil encuentran una limitación para mejorar el rendimiento de vuelo en función de sus tipos de alas, que suelen ser perfiles aerodinámicos de placa curvada. Además, los fuselajes son de papel balsa o laminados de papel, propensos a deformarse o romperse en un tiempo muy corto. La mejora del rendimiento es posible mediante el modelado de fuselajes tridimensionales que fomentan el flujo laminar y en alas con arriostramiento interno que pueden tener perfiles aerodinámicos de alta sustentación, como la serie Clark Y o NACA 4 o 6 , para alta sustentación.
En Japón, a finales de los años 60, el profesor Yasuaki Ninomiya diseñó un tipo avanzado de avión de papel, que se publicó en dos libros, Jet Age Jamboree (1966) y Airborne All-Stars (1967). Los diseños de estos libros se vendieron más tarde como la serie de paquetes de planeadores de papel "White Wings" desde los años 70 hasta la actualidad. [5]
Los White Wings son un cambio radical respecto de los aviones de papel convencionales, ya que sus fuselajes y alas son plantillas de papel recortadas y pegadas. Fueron diseñados con la ayuda de principios de diseño de ingeniería aerodinámica de baja velocidad. La construcción de los modelos se realiza con papel Kent, un tipo de papel para cartuchos que se vende en Japón.
Los primeros modelos fueron dibujados explícitamente a mano, pero en la década de 1980 sus partes fueron diseñadas con el uso de software CAD .
Los diseños de Ninomiya también incluyeron, por primera vez en un modelo de papel, hélices funcionales impulsadas por el flujo de aire, en particular para sus modelos a escala de perfil del Cessna Skymaster y el Piaggio P.136 de 1967. Cabe destacar también el cuidadoso diseño de los planeadores para que pudieran volar sin lastre: su modelo F-4 Phantom II puede volar inmediatamente sin recurrir a clips, etc.
Los planeadores de alto rendimiento tienen fuselajes que se mantienen rígidos mediante el uso de un perfil de fuselaje de balsa adherido a los componentes de papel. El papel utilizado es bastante pesado, aproximadamente el doble del peso del papel de dibujo estándar, pero más ligero que el cartón ligero. Los White Wings originales eran completamente de papel, lo que requería paciencia y habilidad. Sin embargo, más tarde se utilizaron fuselajes de madera de balsa y los White Wings se vendían "precortados", lo que facilitaba la construcción. El perfil aerodinámico utilizado es un Göttingen 801 (placa curva) y se suministra un patrón como parte recortada de cada kit.
En 1984, el profesor EH Mathews, profesor de termodinámica en la Universidad de Witwatersrand (Sudáfrica), publicó su primer compendio de modelos de aviones de alto rendimiento: Paper Pilot (Struik, 1984).
Este libro tuvo mucho éxito y dio lugar a volúmenes adicionales, Paper Pilot 2 (1988), Paper Pilot 3 (1991), 12 Planes for the Paper Pilot (1993) y Ju 52 , un libro independiente que presenta un modelo a escala.
Entre los modelos inéditos se incluye un modelo a escala del Airbus A320 muy parecido al Ju 52, visto en el programa juvenil Tekkies en 1996.
Los libros presentaban patrones de piezas impresas en cartulina liviana, para brindarle al avión un buen rendimiento de penetración en vuelo para vuelos de larga distancia.
El interés público en los planeadores y su éxito editorial permitieron que parte del desarrollo se transmitiera en la televisión sudafricana durante 1988, cuando se lanzó el primer libro, y nuevamente en 1993, para coincidir con una competencia nacional de aviones de papel vinculada al lanzamiento de Paper Pilot 3.
El diseño aerodinámico de los planeadores se logró haciendo uso de un pequeño túnel de viento optimizado: el planeador plano Britten Norman Trislander se filmó en esta instalación, y se utilizaron balances de peso para demostrar la optimización del vuelo.
El diseño de partes de los planeadores se logró utilizando Autodesk AutoCAD R12, entonces la versión más avanzada de este software CAD, y uno de los primeros modelos de aviones de papel disponibles públicamente diseñado usando esta tecnología.
La construcción de los planeadores es muy similar a la utilizada en la serie de planeadores White Wings del Dr. Ninomiya para planeadores planos.
Los planeadores posteriores con fuselajes tridimensionales utilizan una construcción ligera optimizada para el rendimiento del vuelo.
Las innovaciones incluyen un tren de aterrizaje con ruedas funcional que no contribuye al presupuesto de resistencia y al mismo tiempo permite buenos aterrizajes.
Los planeadores Paper Pilot utilizan una forma aerodinámica de placa curva para un mejor rendimiento. Su diseño, al igual que el de los planeadores White Wings, es muy sensible al equilibrio y, de hecho, tienen la capacidad de realizar vuelos en espacios cerrados y confinados en condiciones normales.
La mayoría de las ediciones iniciales están equipadas con patrones de gancho de catapulta y demuestran la capacidad de volar a lo largo de un campo de rugby cuando se lanzan de esa manera.
Las ediciones posteriores y los planeadores estaban equipados con un gancho Bungee, cuya construcción se incluyó en Paper Pilot 3 y 12 Planes para Paper Pilot .
El sistema Bungee publicado es similar, a menor escala, a la práctica utilizada en los lanzamientos de planeadores de tamaño real y por control remoto, con un coste y una complejidad mucho menores. Hasta la fecha, este es el único ejemplo conocido de un sistema de lanzamiento de este tipo aplicado a un modelo de avión de papel publicado en formato de libro.
El rendimiento de vuelo en bungee es muy bueno: un planeador en particular, un modelo a escala U-2 (en el último libro de la serie) había demostrado un rendimiento de vuelo de más de 120 metros en un lanzamiento con gancho bungee.
Un desarrollo único del profesor Mathews es el Papercopter , un helicóptero modelo cuya "ala" es un anillo anular recortable que, utilizando la aerodinámica rotacional, proporciona un buen rendimiento de vuelo hacia adelante sin necesidad de un rotor de cola. Un "cuerpo" de helicóptero modelo está suspendido debajo del anillo y utiliza el flujo de aire para estabilizarse en la dirección del vuelo, de forma muy similar a una veleta.
El diseño del papercopter permite vuelos de aproximadamente 10 a 14 metros en promedio.
El primer autogiro de papel (helicóptero sin motor) publicado en el mundo, obra de Richard K. Neu, apareció en "The Great International Paper Airplane Book", publicado en 1967. Sus alas vuelan en círculo alrededor de un eje de lastre central mientras desciende verticalmente. Este diseño básico se ha publicado varias veces y es ampliamente conocido.
El primer autogiro de papel con planeo hacia adelante del mundo, con un cuerpo apuntando hacia adelante y elevado por palas giratorias, fue construido por James Zongker. Aparece en la página 53 de "The Paper Airplane Book: The Official Book of the Second Great International Paper Airplane Contest" publicado en 1985 por Science Magazine. Sus palas gemelas contrarrotativas giran automáticamente sobre ejes de papel al despegar para proporcionar sustentación.
Como se ha señalado anteriormente (véase la entrada Paper Pilot), EH Mathews desarrolló un helicóptero de papel con estabilidad de vuelo. Este tiene un ala en forma de anillo y flaps para ajustar el vuelo y lograr estabilidad, ubicados en el borde interior del anillo. Si bien no es un autogiro en sí, esta clase de aeronave de modelo de papel se enmarca dentro del diseño general de un helicóptero de modelo de papel y posee un elemento de vuelo rotatorio que produce sustentación durante el vuelo hacia adelante. Los helicópteros de papel, como los denominó el profesor Mathews, son únicos entre los helicópteros de modelo de papel porque tienen un alcance y una velocidad muy superiores a los de todas las demás clases, pueden volar bastante rápido y tienen un alcance de entre 10 y 15 m. El tiempo de vuelo más largo es de 27,9 segundos. [6]
Los objetivos de un vuelo son múltiples:
Para cada objetivo hay un avión típico y, a veces, un récord mundial. [7]
A lo largo de los años se han hecho muchos intentos de romper las barreras de lanzar un avión de papel durante el mayor tiempo posible en el aire. Ken Blackburn mantuvo este récord mundial Guinness durante 13 años (1983-1996) y lo recuperó en octubre de 1998 al mantener su avión de papel en el aire durante 27,6 segundos (en interiores). Esto fue confirmado por los funcionarios de Guinness y un informe de la CNN. [8] El avión de papel que utilizó Blackburn en este intento de romper el récord era un " planeador ". A partir de marzo de 2023 [update], Takuo Toda (Japón) tiene el récord mundial de mayor tiempo en el aire (29,2 segundos) en la ciudad de Fukuyama, Hiroshima, Japón, el 19 de diciembre de 2010. [9] El récord de distancia actual, a febrero de 2023, es de 88,318 m (289 pies 9 pulgadas) logrado por Dillon Ruble (EE. UU.), con el apoyo de Nathaniel Erickson y Garrett Jensen (ambos EE. UU.) en Crown Point, Indiana, EE. UU., el 2 de diciembre de 2022. [10]
Los aviones de papel son una clase de aviones de modelismo y, por lo tanto, no experimentan fuerzas aerodinámicas de manera diferente a otros tipos de modelos voladores. Sin embargo, su material de construcción produce una serie de efectos diferentes en el rendimiento del vuelo en comparación con los aviones construidos con materiales diferentes.
En general, hay cuatro fuerzas aerodinámicas que actúan sobre el avión de papel mientras está en vuelo:
En conjunto, las fuerzas aerodinámicas interactúan entre sí, creando turbulencias que amplifican los pequeños cambios en la superficie del avión de papel. Se pueden realizar modificaciones en la mayoría de los aviones de papel doblando, curvando o haciendo pequeños cortes en los bordes de salida de las alas y en la cola del avión, si la tiene.
Los ajustes más comunes, inspirados en los aviones planeadores, son los alerones , los elevadores y los timones .
El rango del número de Reynolds (Re) del modelo de avión de papel es razonablemente amplio:
Estos rangos son indicativos. Como se ha señalado anteriormente, la relación masa/densidad del papel impide que las prestaciones alcancen las de los modelos de balsa en términos de expresión de potencia/peso, pero para modelos con envergaduras de entre 250 mm y 1.200 mm, el Re crítico es muy similar al de los planeadores de modelos de balsa de dimensiones similares.
Los modelos de papel suelen tener una relación de aspecto del ala muy alta (planeadores) o muy baja (el clásico dardo de papel) y, por lo tanto, en casi todos los casos vuelan a velocidades muy por debajo de la forma de la planta del ala y del perfil aerodinámico crítico Re , donde el flujo pasaría de laminar a turbulento.
La mayoría de los dardos de papel de origami tienden a volar en aire turbulento en cualquier caso y, como tales, son importantes para la investigación del flujo turbulento, al igual que las superficies de elevación de baja Re que se encuentran en la naturaleza, como las hojas de los árboles y las plantas, así como las alas de los insectos.
Los modelos a escala y de alto rendimiento se acercan al Re crítico de la sección del ala en vuelo, lo que es un logro notable en términos de diseño de modelos de papel. El rendimiento se deriva del hecho de que las alas de estos planeadores, de hecho, funcionan tan bien como les es posible, dadas las limitaciones de sus materiales.
Los experimentos realizados en los últimos años con distintos acabados de materiales han revelado algunas relaciones interesantes entre el papel y el Re. El rendimiento de las estructuras de origami y de origami compuesto mejora notablemente con la introducción de papel liso, aunque esto también se ve favorecido por la mayor masa del papel y, en consecuencia, por una mejor penetración.
Los tipos de fuselaje con un rendimiento más marginal y a escala generalmente no se benefician de superficies más pesadas y brillantes. Los tipos de fuselaje con perfil de rendimiento experimentan un rendimiento ligeramente mejorado si se utiliza papel brillante y resbaladizo en la construcción, pero aunque hay una mejora en la velocidad, esto se compensa muy a menudo con una relación vida útil/resistencia más pobre. Los tipos a escala han experimentado un rendimiento negativo con la adición de papeles pesados y brillantes en su construcción.
Las secciones del perfil del ala en los modelos varían según el tipo:
La comba de los perfiles también varía. En general, cuanto menor sea el Re, mayor será la comba. Los modelos de origami tendrán combas "ridículas" o muy altas en comparación con los modelos a escala de rendimiento más marginal, cuyas masas crecientes exigen velocidades de vuelo más altas y, por lo tanto, una menor resistencia inducida por la comba alta, aunque esto variará según el modelo que se esté modelando.
En el caso de modelos a escala, la intención del modelista definirá el tipo de sección aerodinámica elegida. Los biplanos de la Primera Guerra Mundial, si están diseñados para el rendimiento de vuelo, a menudo tendrán perfiles aerodinámicos de placa curvada, ya que estos producen superficies muy curvadas y un coeficiente de sustentación (Cl) para velocidades de planeo bajas. Los monoplanos de la Segunda Guerra Mundial a menudo tendrán secciones muy similares a las de una escala, aunque con una mayor caída del borde de salida para mejorar la curvatura en comparación con sus contrapartes a escala.
De manera similar, el tamaño, la velocidad aerodinámica y la masa tendrán un gran impacto en la elección del perfil aerodinámico, aunque esta es una consideración universal en el diseño de modelos de aviones, sin importar el material.
El ex poseedor de un récord mundial Guinness Tim Richardson no está de acuerdo con la decisión de poner una "cola" en el avión de papel. Su explicación de la aerodinámica del avión de papel en su sitio web menciona que la cola no es necesaria. Utiliza el bombardero de ala volante B-2 Spirit de la vida real como ejemplo, afirmando que los pesos a lo largo del ala deben colocarse hacia adelante para estabilizar el avión. (Nota: los aviones de papel no necesitan una cola principalmente porque normalmente tienen un fuselaje grande y delgado, que actúa para evitar el cabeceo , y alas a lo largo de toda la longitud, lo que evita el cabeceo ).
En 1977 , Edmond Hui inventó de forma independiente un avión de papel parecido a un bombardero furtivo llamado Paperang, [11] basado en la aerodinámica del ala delta. Tiene secciones aerodinámicas controladas adecuadamente, alas de alta relación de aspecto y un método de construcción diseñado para permitir al constructor variar cada aspecto de su forma. Fue el tema de un libro, "Amazing Paper Airplanes" en 1987, y de varios artículos periodísticos en 1992. No es elegible para la mayoría de las competiciones de aviones de papel debido al uso de una grapa, pero tiene un rendimiento de planeo extremadamente alto que supera las relaciones de planeo de 12 a 1 con buena estabilidad.
En 1975, el artista de origami Michael LaFosse diseñó un ala voladora hecha de origami puro (una sola hoja; sin cortes, pegamento ni grapas...), a la que llamó "Ala Art Decó". Aunque su forma aerodinámica imita a algunos aladeltas y perfiles aerodinámicos supersónicos, su invención surgió a partir de la exploración de la belleza del papel plegado. Su tasa de planeo y estabilidad están a la par de muchas de las mejores construcciones de alas de papel que utilizan pegamento, cinta o grapas. Este diseño se publicó por primera vez en 1984 en el libro "Wings and Things", de Stephen Weiss, de St. Martin's Press.
Aunque es una opinión común que los aviones de papel ligeros vuelan más lejos que los pesados, Blackburn considera que esto no es cierto. El avión de papel de hace 20 años que batió el récord [12] se basaba en su creencia de que los mejores aviones tenían alas cortas y eran "pesados" en el punto de la fase de lanzamiento en la que el lanzador lanza el avión de papel al aire, y al mismo tiempo, unas alas más largas y un peso "más ligero" permitirían que el avión de papel tuviera mejores tiempos de vuelo, pero este no se puede lanzar con fuerza y mucha presión al aire como una fase de lanzamiento con peso "pesado". Según Blackburn, "para alcanzar la altura máxima y para una buena transición al vuelo planeado, el lanzamiento debe realizarse dentro de los 10 grados de la vertical" , lo que demuestra que una velocidad de al menos 60 millas por hora (97 kilómetros por hora) es la cantidad necesaria para lanzar el avión de papel con éxito.
Después del plegado, todavía quedan huecos entre las diferentes capas de papel doblado (borde desprendible). Estos y los pliegues transversales al flujo de aire pueden tener un efecto perjudicial en la aerodinámica, especialmente en el lado superior del ala. En algunos modelos, las superficies no están alineadas con la dirección del flujo, actuando como frenos de aire. Normalmente, el centro de masa está en 1/81 y el centro del área está en 1/2 de las longitudes del avión. Existen dos métodos para desplazar el centro de masa hacia adelante. Uno enrolla el borde de ataque, que luego permanece sin barrer. El otro utiliza un ala en flecha o plegado axial para producir algo así como un fuselaje que se extiende fuera del borde de ataque del ala.
Es posible crear versiones de estilo libre de aviones de papel, que a menudo presentan una trayectoria de vuelo inusual en comparación con los dardos, jets y planeadores de papel más tradicionales. Otra técnica de propulsión, que crea altas velocidades de lanzamiento, implica el uso de bandas elásticas para "catapultas". El planeo con movimiento de pie implica la propulsión continua de diseños de aviones de papel (como el tumblewing , el follow foil [13] y el paper airplane surfer [14] ) mediante un vuelo planeado sobre el borde de una hoja de cartón.
Es posible que algún día se lance un avión de papel desde el espacio. En marzo de 2008, un prototipo pasó una prueba de durabilidad en un túnel de viento y la agencia espacial japonesa JAXA consideró un lanzamiento desde la Estación Espacial Internacional . Sin embargo, los desarrolladores del avión, Takuo Toda (ver récords mundiales arriba) y su compañero entusiasta Shinji Suzuki, ingeniero aeronáutico y profesor de la Universidad de Tokio , pospusieron el intento después de reconocer que sería casi imposible rastrearlos durante el viaje de una semana de los aviones a la Tierra, suponiendo que alguno de ellos sobreviviera al abrasador descenso. Los desarrolladores esperaban que China o Rusia respaldaran más esfuerzos en el proyecto. [15]
En febrero de 2011, 200 aviones fueron lanzados desde una red situada debajo de un globo meteorológico a 37 km sobre Alemania. Los aviones estaban diseñados para mantener un vuelo estable incluso con ráfagas de viento de hasta 160 km/h. Los aviones estaban equipados con chips de memoria desde los que se podían cargar datos y se informó de que se habían encontrado en otros lugares de Europa, así como en Canadá, India, Sudáfrica y Australia. Un portavoz del proyecto dijo que estaba "un poco sospechoso" de los informes procedentes del hemisferio sur, pero dijo que era posible que los aviones llegaran a Estados Unidos dados los vientos "sustanciales" que encontraron los aviones y el hecho de que un avión de papel bien construido "viaja 12 pies por el suelo por cada pie que cae". [16]
El 24 de junio de 2015, un club de la escuela secundaria Kesgrave en Suffolk, Reino Unido, logró el récord mundial del lanzamiento de un avión de papel a mayor altitud, alcanzando una altitud de 35.043 metros (114.970 pies). [17]
La definición del diccionario de avión de papel en Wikcionario