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Volar o volar es el proceso por el cual un objeto se desplaza a través de un espacio sin contactar 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, vuelos espaciales ). Esto se puede lograr generando sustentación aerodinámica asociada al deslizamiento o empuje propulsor , aerostáticamente usando 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 aviones ( aviones , helicópteros , dirigibles , globos , etc.) y cohetes . que puede propulsar naves espaciales y aviones espaciales .
Los aspectos ingenieriles 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, y astronáutica , el estudio de los vehículos que viajan a través del espacio, y balística , el estudio del vuelo de los proyectiles.
Los humanos han logrado construir vehículos más ligeros que el aire que se elevan del suelo y vuelan gracias a su flotabilidad en el aire.
Un aerostato es un sistema que se mantiene en el aire principalmente mediante el uso de flotabilidad para darle a la aeronave la misma densidad general que el aire. Los aerostatos incluyen globos libres , dirigibles y globos amarrados . El principal componente estructural 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 se llaman así porque utilizan elevación "aerostática", una fuerza de flotación que no requiere movimiento lateral a través de la masa de aire circundante para efectuar una fuerza de elevación. Por el contrario, los aerodinos utilizan principalmente la sustentación aerodinámica , que requiere el movimiento lateral de al menos una parte del avión a través de la masa de aire circundante.
Algunas cosas que vuelan no generan empuje propulsor en el aire, por ejemplo, la ardilla voladora . Esto se denomina deslizamiento . Algunas otras cosas pueden aprovechar el aire ascendente para ascender, como las aves rapaces (al planear) y los planeadores artificiales . Esto se denomina alza . Sin embargo, la mayoría de las demás aves y todos los aviones propulsados necesitan una fuente de propulsión para ascender. Esto se denomina vuelo propulsado.
Los únicos grupos de seres vivos que utilizan el vuelo motorizado son las aves , los insectos y los murciélagos , mientras que muchos grupos han evolucionado desplazándose. Los pterosaurios extintos , un orden de reptiles contemporáneos de los dinosaurios , también fueron animales voladores de gran éxito, [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 de animales 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 supone que las de los insectos son versiones muy modificadas de estructuras que forman branquias en la mayoría de los otros grupos de artrópodos . [3]
Los murciélagos son los únicos mamíferos capaces de mantener un vuelo nivelado (ver vuelo de los murciélagos ). [5] Sin embargo, hay varios mamíferos planeadores que son capaces de deslizarse 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 planas de deslizamiento. Las serpientes "voladoras" también usan costillas móviles para aplanar su cuerpo en una forma aerodinámica, con un movimiento hacia adelante y hacia atrás muy similar al que usan en el suelo.
Los peces voladores pueden deslizarse utilizando aletas agrandadas en forma de alas y se les ha observado volando cientos de metros. Se cree que esta habilidad 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 ahora extintos dodos y los forusrácidos , que fueron los depredadores dominantes de América del Sur en la era Cenozoica . Los pingüinos que no vuelan tienen alas adaptadas para usar bajo el agua y usan los mismos movimientos de las alas para nadar que la mayoría de las otras aves usan para volar. [ cita necesaria ] La mayoría de las aves pequeñas no voladoras son nativas de islas pequeñas y llevan un estilo de vida en el que volar 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, alcanzando los 21 kilogramos (46 libras). [7]
La mayoría de las especies de insectos pueden volar cuando son adultos. El vuelo de los insectos utiliza cualquiera de dos modelos aerodinámicos básicos: la creación de un vórtice de vanguardia, que se encuentra en la mayoría de los insectos, y el uso de aplausos y lanzamientos , que se encuentran en insectos muy pequeños como los trips . [8] [9]
Muchas especies de arañas , arañas rojas y lepidópteros utilizan una técnica llamada vuelo en globo para viajar en corrientes de aire como las térmicas , exponiendo sus hilos de gasa 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 aviones 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 parapente, en el que un barco tira de un objeto parecido a un paracaídas. En un avión, la sustentación la crean las alas; La forma de las alas del avión está diseñada especialmente para el tipo de vuelo deseado. Existen diferentes tipos de alas: templadas, semitempladas, en flecha, rectangulares y elípticas. El ala de un avión a veces se denomina perfil aerodinámico , que es un dispositivo que crea sustentación cuando el aire fluye a través de ella.
El vuelo supersónico es un vuelo más rápido que la velocidad del sonido . Los vuelos supersónicos están asociados con la formación de ondas de choque que forman un estallido sónico que se puede escuchar desde el suelo [10] y que a menudo resulta sorprendente. Esta onda de choque requiere mucha energía para crearse y esto hace que el vuelo supersónico sea generalmente menos eficiente que el vuelo subsónico a aproximadamente el 85% de la velocidad del sonido.
El vuelo hipersónico es un vuelo de 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 sólo o principalmente bajo la acción del impulso, la gravedad, la resistencia del aire y, en algunos casos, el empuje. Esto se denomina vuelo balístico . Los ejemplos incluyen pelotas , flechas , balas , fuegos artificiales , etc.
Esencialmente una forma extrema de vuelo balístico, los vuelos espaciales son el uso de tecnología espacial para lograr el vuelo de naves espaciales hacia y a través del espacio exterior . Los ejemplos incluyen misiles balísticos , 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 normalmente comienza con el lanzamiento de un cohete , que proporciona el empuje inicial para superar la fuerza de 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 hacer volar un avión sin partes móviles, propulsado 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 boomerang en Australia , la linterna de aire caliente Kongming y cometas .
George Cayley estudió científicamente el vuelo 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 en planeador y también fue uno de los primeros en comprender científicamente el vuelo. . Su trabajo fue replicado y ampliado por los hermanos Wright que realizaron vuelos en planeador y finalmente los primeros vuelos tripulados controlados y extendidos. [19]
Los vuelos espaciales, en particular los vuelos espaciales tripulados, se hicieron realidad en el siglo XX tras los avances teóricos y prácticos de Konstantin Tsiolkovsky y Robert H. Goddard . El primer vuelo espacial orbital fue en 1957, [20] y Yuri Gagarin fue llevado a bordo del primer vuelo espacial orbital tripulado en 1961. [21]
Hay diferentes enfoques del vuelo. Si un objeto tiene una densidad menor que el aire, entonces flota y puede flotar en el aire sin gastar energía. Una nave más pesada que el aire , conocida como aerodino , incluye animales e insectos voladores, aviones 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 que provoca la nave al desplazarse por el aire se denomina arrastre y es superada por el empuje de propulsión excepto en el caso del planeo .
Algunos vehículos también utilizan empuje en el lugar de elevación; por ejemplo, cohetes y 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 las palas giratorias de una hélice , o un ventilador giratorio que empuja el aire desde la parte trasera de un motor a reacción , o expulsando gases calientes desde 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. Se puede generar empuje inverso para ayudar a frenar después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de la hélice de paso variable o utilizando 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 en relación con 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 se produce cuando el ala hace que el aire circundante se desvíe; el aire luego causa una fuerza sobre el ala en la dirección opuesta, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton .
La sustentación se asocia comúnmente con el ala de un avión , 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 avance en el aire). Si bien los significados comunes de la palabra "elevación" sugieren que la sustentación se opone a la gravedad, la sustentación aerodinámica puede realizarse en cualquier dirección. Cuando un avión está navegando , por ejemplo, la sustentación se opone a la gravedad, pero la sustentación se produce en ángulo al ascender, descender o inclinarse. En los automóviles de alta velocidad, la fuerza de elevación se dirige hacia abajo (llamada "fuerza descendente") para mantener el automóvil estable en la carretera.
Para 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 sustentación también provoca algo de resistencia.
La sustentación aerodinámica se crea mediante 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 así generar una cantidad equivalente de sustentación. Los grandes aviones de carga tienden a utilizar alas más largas con mayores ángulos de ataque, 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 elevación (deflexión) inevitablemente causa una fuerza retardadora llamada arrastre. Debido a que la sustentación y la resistencia son fuerzas aerodinámicas, la relación entre sustentación y resistencia es una indicación de la eficiencia aerodinámica del avión. La relación de sustentación y resistencia es la relación L/D, que se pronuncia "relación L sobre D". 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 (densidad r multiplicada 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 (densidad r multiplicada por la mitad de la velocidad V al cuadrado multiplicada por el área de referencia A). [Cd = D / (A * .5 * r * V ^ 2)] [31]
Las relaciones de elevación a resistencia para aviones prácticos 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 los planeadores. Un mayor ángulo de ataque en relación con el movimiento hacia adelante también aumenta el grado de desviación y, por lo tanto, genera sustentación adicional. Sin embargo, un mayor ángulo de ataque también genera una resistencia adicional.
La relación elevación/arrastre 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 aeronave no la afectará. El único efecto que tiene el peso es variar el tiempo que el avión se deslizará: un avión más pesado que se deslice a mayor velocidad llegará al mismo punto de aterrizaje en menos tiempo. [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 ordinaria y temperatura ambiente tiene una masa de unos 1,2 kilogramos, por lo que su peso es de unos 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 superior a 1,2 kilogramos (de modo que su peso es superior a 12 newtons), cae al suelo al soltarlo. Si un objeto de este tamaño tiene una masa inferior a 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 indica, la relación entre empuje instantáneo y 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 gravedad local (expresada en g s), entonces el vuelo puede ocurrir sin que se requiera ningún movimiento hacia adelante ni sustentación aerodinámica.
Si la relación empuje-peso multiplicada por la relación sustentación-resistencia es mayor que la gravedad local, entonces es posible el despegue utilizando sustentación aerodinámica.
La dinámica de vuelo es la ciencia de la orientación y control de vehículos aéreos y espaciales en tres dimensiones. Los tres parámetros críticos de la dinámica de vuelo son los ángulos de rotación en tres dimensiones alrededor del centro de masa del vehículo , conocidos como cabeceo , balanceo y guiñada (consulte 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 diédrico positivo " que proporciona una estabilización de balanceo inherente.
Crear empuje para poder ganar altura y empujar a través del aire para superar la resistencia asociada con la sustentación requiere energía. Los diferentes objetos y criaturas capaces de volar varían en la eficiencia de sus músculos, motores y en qué tan bien 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 propulsados 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]
Para los aviones propulsados, la energía útil está determinada por su fracción de combustible : qué porcentaje del peso de despegue es combustible, así como la energía específica del combustible utilizado.
Todos los animales y dispositivos capaces de realizar un vuelo sostenido 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 , e invierten el proceso para el aterrizaje . Algunos aviones pueden despegar a baja velocidad; esto se llama despegue corto. Algunos aviones, como helicópteros y 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 medida inercial y altímetro ).
En los aviones, la navegación aérea exitosa implica pilotar un avión de un lugar a otro sin perderse, infringir las leyes que se aplican a los aviones o poner en peligro la seguridad de quienes están a bordo o en tierra .
Las técnicas utilizadas para la navegación en el aire dependerán de si la aeronave vuela bajo las reglas de vuelo visual (VFR) o las reglas de vuelo por instrumentos (IFR). En este último caso, el piloto navegará utilizando exclusivamente instrumentos y radioayudas a la navegación como balizas, o según las indicaciones bajo control radar del control de tráfico aéreo . En el caso VFR, un piloto navegará en gran medida utilizando navegación a estima combinada con observaciones visuales (conocidas como practicaje ), con referencia a mapas apropiados. Esto podrá 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 , avión , misil , cohete , satélite u otro objeto en movimiento. Normalmente, la guía es responsable del cálculo del vector (es decir, dirección, 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 respectivos controles de cabina, enlaces de conexión y los mecanismos operativos necesarios para controlar la dirección de una aeronave en vuelo. Los controles de los motores de las aeronaves también se consideran controles de vuelo ya que cambian de velocidad.
En el caso de las aeronaves, el tráfico aéreo está controlado por sistemas de control de tráfico aéreo .
La evitación de colisiones es el proceso de controlar las naves espaciales para tratar de evitar colisiones.
La seguridad aérea es un término que abarca la teoría, la investigación y la categorización de fallas de vuelo , y la prevención de dichas fallas a través de la regulación, la educación y la capacitación. También puede aplicarse en el contexto de campañas que informen al público sobre la seguridad de los viajes aéreos .
Sir George Cayley es una de las personas más importantes de la historia de la aeronáutica.
Muchos lo consideran el primer investigador aéreo científico verdadero y la primera persona en comprender los principios y fuerzas subyacentes del vuelo.
A Sir George Cayley, a veces se le llama 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 con éxito un planeador transportado por humanos.
A Sir George Cayley, nacido en 1773, a veces se le llama el padre de la aviación.
Pionero en su campo, Cayley literalmente tiene dos grandes arrebatos 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 con éxito un planeador transportado por humanos.
Cayley describió muchos de los conceptos y elementos del avión 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
