El vuelo en planeo 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 los animales. [1] Lo emplean animales planeadores y aviones como planeadores . Este modo de vuelo implica volar una distancia significativa en horizontal en comparación con su descenso y, por lo tanto, se puede distinguir de un descenso mayoritariamente recto como un paracaídas redondo.
Aunque la aplicación humana del vuelo sin motor generalmente se refiere a aeronaves diseñadas para este propósito, la mayoría de las aeronaves propulsadas 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 los aviones o de los pájaros, o la membrana deslizante 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, algunos aviones con cuerpos elevadores y animales como la serpiente voladora pueden lograr un vuelo deslizante sin alas creando una superficie aplanada debajo.
La mayoría de los aviones con alas pueden planear hasta cierto punto, pero existen varios tipos de aviones diseñados para planear:
Actualmente, la principal aplicación humana 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 el deporte y la recreación se clasifican en planeadores (veleros) , alas delta y parapentes . Estos dos últimos tipos suelen lanzarse con el pie. El diseño de los tres tipos les permite ascender repetidamente utilizando aire ascendente y luego deslizarse antes de encontrar la siguiente fuente de sustentación. Cuando se realiza en planeadores (veleros), el deporte se conoce como vuelo sin motor y en ocasiones como vuelo sin motor. Para las aeronaves despegadas a pie, se conoce como ala delta y parapente . Los entusiastas también vuelan planeadores radiocontrolados con alas fijas.
Además de los planeadores a motor , algunas aeronaves a motor están diseñadas para planeos rutinarios durante parte de su vuelo; generalmente al aterrizar después de un período de vuelo motorizado. Éstas incluyen:
Algunas aeronaves no están diseñadas para planear excepto en caso de emergencia, como falla del motor o agotamiento del combustible. Ver lista de vuelos de aerolíneas que requirieron vuelo sin motor . Planear en un helicóptero se llama autorrotación .
Varios animales han evolucionado por separado deslizándose muchas veces, sin ningún ancestro único. Las aves, en particular, utilizan el vuelo planeado para minimizar el uso de energía. Las aves grandes son notablemente expertas en planear, entre ellas:
Al igual que los aviones de recreo, las aves pueden alternar períodos de planeo con períodos de vuelo 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 ayudar al deslizamiento, algunos mamíferos han desarrollado una estructura llamada patagium . Se trata de una estructura membranosa que se encuentra estirada entre una variedad de partes del cuerpo. Está más desarrollado en los murciélagos. Por razones similares a las de las aves, los murciélagos pueden deslizarse eficientemente. En los murciélagos, la piel que forma la superficie del ala es una extensión de la piel del abdomen que corre 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 se deslizan utilizando un patagium, pero con mucha menor eficiencia que los murciélagos. No pueden ganar altura. El animal se lanza desde un árbol, extendiendo sus extremidades para exponer las membranas deslizantes, generalmente para ir de árbol en árbol en las selvas tropicales como un medio eficaz 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 muy espaciados.
En las ardillas voladoras, el patagium se extiende desde las extremidades delanteras hasta las traseras a lo largo de cada lado del torso. En el petauro del azúcar , la patagia se extiende desde el quinto dedo de cada mano hasta el primer dedo de cada pie. Esto crea un perfil aerodinámico que les permite planear 50 metros o más. [4] Este vuelo deslizante se regula cambiando la curvatura de la membrana o moviendo las patas y la cola. [5]
Además de los mamíferos y las aves, también planean otros animales, en particular peces voladores , serpientes voladoras , ranas voladoras y calamares voladores .
Los vuelos de los peces voladores suelen ser de unos 50 metros (160 pies), [6] aunque pueden utilizar corrientes ascendentes en el borde de ataque de las olas para cubrir distancias de hasta 400 m (1300 pies). [6] [7] Para deslizarse 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 levantarlas. [9] Al final de un planeo, dobla sus aletas pectorales para volver a entrar al mar, o deja caer su cola en el agua para empujarse 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 hacia o en ángulo con respecto a la dirección de las corrientes ascendentes creadas por una combinación de corrientes de aire y océano . [8] [9]
Las serpientes del género Chrysopelea también son conocidas con 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 un "ala pseudo cóncava", [11] mientras realiza un movimiento serpentino continuo de ondulación lateral [12] paralelo al suelo [13] para estabilizar su dirección en el aire y así aterrizar de forma segura. [14] Las serpientes voladoras pueden deslizarse mejor que las ardillas voladoras y otros animales deslizantes , a pesar de la falta de extremidades, alas o cualquier otra proyección en forma de alas, deslizándose a través del bosque y la jungla que habita con una distancia de hasta 100 metro. [13] [15] Su destino se predice principalmente por balística ; sin embargo, pueden ejercer cierto control de actitud en vuelo "deslizándose" en el aire. [dieciséis]
Los lagartos voladores del género Draco son capaces de volar planeando a través de membranas que pueden extenderse para crear alas (patagia), formadas por un conjunto agrandado de costillas. [17]
El vuelo sin motor 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, muy por encima del suelo. Las características de las especies del Viejo Mundo incluyen "manos y pies agrandados, membranas interdigitales completas entre todos los dedos de manos y pies, colgajos laterales de piel en brazos y piernas".
Tres fuerzas principales actúan sobre los aviones y los animales cuando planean: [20]
A medida que el avión 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 ángulo recto con el flujo de aire que proviene ligeramente desde abajo a medida que el planeador desciende, ver ángulo de ataque . Este componente horizontal de sustentación es suficiente para superar la resistencia y permite que el planeador acelere hacia adelante. Aunque el peso hace que el avión descienda, si el aire sube más rápido que la tasa de descenso, habrá una ganancia de altitud.
La relación sustentación-arrastre, o relación L/D , es la cantidad de sustentación generada por un ala o vehículo, dividida por la resistencia que crea al moverse en el aire. Una relación L/D mayor 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, ofrecer esa sustentación con menor resistencia conduce directamente a una mejor economía de combustible y un mejor rendimiento en ascenso.
El efecto de la velocidad del aire sobre la velocidad de descenso se puede representar mediante una curva polar . Estas curvas muestran la velocidad del aire donde se puede lograr el mínimo hundimiento y la velocidad del aire con la mejor relación L/D. La curva tiene forma de U invertida. A medida que las velocidades se reducen, la cantidad de sustentación cae rápidamente alrededor de la velocidad de pérdida. El pico de la 'U' tiene una resistencia mínima.
Como la sustentación y la resistencia son 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 dado que ambos son proporcionales a la velocidad del aire, la relación de L/D o Cl/Cd normalmente se representa gráficamente en función del 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 dado que las alas normalmente vuelan con un pequeño ángulo de ataque , esto significa que una componente de la fuerza se dirige hacia atrás. La componente trasera de esta fuerza (paralela 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 domina el lado de baja velocidad del gráfico de resistencia, el lado izquierdo de la U.
La resistencia del perfil es causada por el aire que golpea el ala y otras partes del avión. Esta forma de arrastre, también conocida como resistencia del viento , varía con el cuadrado de la velocidad (ver ecuación de arrastre ). Por esta razón, el perfil de resistencia es más pronunciado a velocidades más altas, formando el lado derecho de la forma de U del gráfico de resistencia. La resistencia del perfil se reduce principalmente reduciendo la sección transversal y aerodinámica.
A medida que la sustentación aumenta constantemente hasta el ángulo crítico, normalmente es el punto donde la resistencia combinada es más baja, cuando el ala o la aeronave está funcionando en su mejor L/D.
Los diseñadores normalmente seleccionarán un diseño de ala que produzca un pico L/D a la velocidad de crucero elegida para un avión propulsado de ala fija, maximizando así la economía. Como todo lo relacionado con la ingeniería aeronáutica , la relación sustentación-resistencia no es la única consideración a la hora de diseñar un ala. También son importantes el rendimiento con un ángulo de ataque alto y una pérdida suave .
Minimizar la resistencia es de particular interés en el diseño y operación de planeadores (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 en 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 de sustentación y 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 del aire, pero existe un valor máximo que se cita con frecuencia. La relación de planeo generalmente varía poco con la carga del vehículo; un vehículo más pesado se desliza más rápido, pero casi mantiene su relación de planeo. [21]
La relación de planeo (o "delicadeza") es la cotangente del ángulo descendente, el ángulo de planeo (γ). Alternativamente, también es la velocidad de avance dividida por la velocidad de descenso (aeronave sin motor):
El número de planeo (ε) es el recíproco de la relación de planeo, pero a veces se confunde.
Aunque la mejor tasa de planeo es importante al medir el rendimiento de un avión sin motor, su tasa de planeo en un rango de velocidades también determina su éxito (consulte el artículo sobre planeo ).
A veces, los pilotos vuelan al mejor L/D del avión controlando con precisión la velocidad del aire y operando suavemente los controles para reducir la resistencia. Sin embargo, la fuerza del probable próximo ascenso, la minimización del tiempo pasado en el aire que se hunde fuertemente y la fuerza del viento también afectan la velocidad óptima para volar . Los pilotos vuelan más rápido para atravesar el aire que se hunde y, cuando se dirigen hacia el viento, para optimizar el ángulo de planeo con respecto al suelo. Para alcanzar una mayor velocidad a través del país, los planeadores (veleros) a menudo se cargan con lastre de agua para aumentar la velocidad del aire y así alcanzar antes la siguiente zona de elevación. Esto tiene poco efecto sobre el ángulo de planeo ya que los aumentos en la tasa de caída y en la velocidad del aire permanecen proporcionales y, por lo tanto, el avión más pesado logra un L/D óptimo a una velocidad del aire más alta. Si las áreas de elevación son fuertes ese día, los beneficios del lastre superan la velocidad de ascenso más lenta.
Si el aire sube 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 velocidad baja también mejora su capacidad para girar con fuerza en el centro del aire ascendente , donde la velocidad de ascenso es mayor. Una tasa de caída de aproximadamente 1,0 m/s es lo máximo que podría tener un ala delta o un parapente práctico antes de limitar las ocasiones en que era posible un ascenso solo cuando había aire ascendente. Los planeadores (veleros) tienen tasas de caída mínimas de entre 0,4 y 0,6 m/s según la clase . Aviones como los aviones de pasajeros pueden tener una mejor tasa de planeo que un ala delta, pero rara vez podrían volar en térmica debido a su velocidad de avance mucho mayor y su tasa de caída mucho mayor. (El Boeing 767 en el incidente del Gimli Glider logró una relación de planeo de sólo 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 se hunde. Se pueden medir otras curvas polares después de cargar el planeador con lastre de agua. 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 que planean y los aviones pueden alternar planeos con períodos de vuelo en aire ascendente . Se utilizan cinco tipos principales de elevación: [30] térmicas , elevación de crestas , ondas de sotavento , convergencias y elevación dinámica . El vuelo dinámico lo utilizan predominantemente las aves y algunos modelos de aviones, aunque en raras ocasiones también lo han logrado aviones pilotados. [31]
Ejemplos de vuelo altísimo de aves son el uso de:
Para el ser humano, volar es la base de tres deportes aéreos : vuelo sin motor , ala delta y parapente .
Sección 4.3
Hay cuatro tipos principales de sustentación que el piloto en vuelo puede utilizar....
