Vuelo vuelo sin motor es más pesado que el aire, el vuelo sin el uso de empuje ; el término volplaning también se refiere a este modo de vuelo en los animales. [1] Se emplea en animales que se deslizan y en aviones como 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 principalmente directo como con un paracaídas redondo.
Aunque la aplicación humana del vuelo en planeo generalmente se refiere a aviones diseñados para este propósito, la mayoría de los aviones propulsados son capaces de planear sin potencia de motor. Al igual que con el vuelo sostenido, el deslizamiento generalmente requiere la aplicación de un perfil aerodinámico , como las alas de los aviones o pájaros, o la membrana de deslizamiento de una zarigüeya planeadora . Sin embargo, el deslizamiento se puede lograr con un ala plana (sin alabeo ), 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 puede lograr un vuelo sin alas creando una superficie plana debajo.
Aeronaves ("planeadores")
La mayoría de las aeronaves aladas pueden planear hasta cierto punto, pero hay varios tipos de aeronaves diseñadas para planear:
- Planeador , también conocido como planeador
- Ala delta
- Parapente
- Planeador de velocidad
- Paracaídas ram-air
- Cometa de rotor , si está suelta, conocida como planeador giratorio o autogiro.
- Planeador militar
- Avión de papel
- Planeador radiocontrolado
- Planeador cohete
- Traje de alas
La principal aplicación humana es actualmente 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 (planeadores) , alas delta y parapentes . Estos dos últimos tipos a menudo se lanzan con el pie. El diseño de los tres tipos les permite escalar repetidamente usando aire ascendente y luego deslizarse antes de encontrar la siguiente fuente de sustentación. Cuando se realiza en planeadores (planeadores), el deporte se conoce como deslizamiento y, a veces, como remontar. Para los aviones lanzados a pie, se conoce como ala delta y parapente . Los planeadores radiocontrolados con alas fijas también son elevados por los entusiastas.
Además de los planeadores a motor , algunos aviones propulsados están diseñados para planeos de rutina durante parte de su vuelo; generalmente al aterrizar después de un período de vuelo con motor. Éstas incluyen:
- Aviones experimentales como el norteamericano X-15 , que se deslizó hacia atrás después de haber usado su combustible.
- Naves espaciales como los transbordadores espaciales , SpaceShipOne y el ruso Buran
Algunas aeronaves no están diseñadas para planear excepto en una emergencia, como una falla del motor o un agotamiento del combustible. Vea la lista de vuelos de aerolíneas que requirieron vuelo sin vuelo . Deslizarse en un helicóptero se llama autorrotación .
Animales deslizantes
Aves
Varios animales han evolucionado por separado deslizándose muchas veces, sin un solo antepasado. Las aves, en particular, utilizan el vuelo en planeo para minimizar el uso de energía. Las aves grandes son especialmente hábiles para planear, incluyendo:
Al igual que los aviones de recreo, las aves pueden alternar períodos de vuelo sin motor con períodos de vuelo ascendente y, por lo tanto, pasan un tiempo considerable en el aire con un gasto mínimo de energía. La gran fragata en particular es capaz de vuelos continuos hasta varias semanas. [3]
Mamíferos
Para ayudar al deslizamiento, algunos mamíferos han desarrollado una estructura llamada patagium . Esta es una estructura membranosa que se encuentra estirada entre una variedad de partes del cuerpo. Está más desarrollado en murciélagos. Por razones similares a las de las aves, los murciélagos pueden deslizarse 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 patagium de un murciélago tiene cuatro partes distintas:
- Propatagium: el patagium presente desde el cuello hasta el primer dedo.
- Dactylopatagium: la porción que se encuentra dentro de los dígitos
- Plagiopatagio: la porción que se encuentra entre el último dedo y las patas traseras.
- Uropatagium : la parte posterior del cuerpo entre las dos patas traseras
Otros mamíferos, como las zarigüeyas y las ardillas voladoras, también se deslizan utilizando un patagium, pero con una eficiencia mucho menor 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 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 patagium se extiende desde las extremidades anteriores hasta las traseras a lo largo de cada lado del torso. En el planeador del azúcar , la patagia se extiende entre el quinto dedo de cada mano hasta el primer dedo de cada pie. Esto crea un perfil aerodinámico que les permite deslizarse 50 metros o más. [4] Este vuelo en planeo se regula cambiando la curvatura de la membrana o moviendo las patas y la cola. [5]
Peces, reptiles, anfibios y otros animales deslizantes
Además de los mamíferos y las aves, otros animales sobre todo volando peces , serpientes voladoras , ranas vuelan y pota también deslizarse.
Los vuelos de los peces voladores suelen rondar los 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 en el mar, o deja caer su cola en el agua para empujar contra el agua y levantarse 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 la dirección de las corrientes ascendentes creadas por una combinación de corrientes de aire y mar . [8] [9]
Las serpientes del género Chrysopelea también se conocen 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 pseudocóncava", [11] mientras hace un movimiento serpentino continuo de ondulación lateral [12] paralelo al suelo [13] para estabilizar su dirección en el aire para poder aterrizar con seguridad. [14] Las serpientes voladoras pueden deslizarse mejor que las ardillas voladoras y otros animales que se deslizan , a pesar de la falta de extremidades, alas o cualquier otra proyección en forma de alas, se deslizan a través del bosque y la jungla que habita con una distancia de hasta 100 metro. [13] [15] Su destino es predicho principalmente por balística ; sin embargo, pueden ejercer cierto control de actitud en vuelo "deslizándose" en el aire. [dieciséis]
El vuelo sin motor ha evolucionado de forma independiente entre 3.400 especies de ranas [17] de las familias del Nuevo Mundo ( Hylidae ) y del Viejo Mundo ( Rhacophoridae ). [18] Esta evolución paralela se ve como 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 completas entre todos los dedos de manos y pies, solapas laterales de piel en brazos y piernas
Efectivo
Tres fuerzas principales actúan sobre las aeronaves y los animales al planear: [19]
- peso - la gravedad actúa en dirección descendente
- sustentación: actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad del aire
- arrastre: actúa en paralelo al vector que representa la velocidad aerodinámica
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 hacia adelante de la vertical porque se crea en ángulo recto con el flujo de aire que proviene ligeramente de 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 la aeronave descienda, si el aire se eleva más rápido que la tasa de caída, habrá una ganancia de altitud.
Relación de elevación a arrastre
La relación de sustentación a arrastre, 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 se establece por su peso, entregar esa sustentación con menor resistencia conduce directamente a una mejor economía de combustible y rendimiento de ascenso.
El efecto de la velocidad aerodinámica sobre la velocidad de descenso se puede representar mediante una curva polar . Estas curvas muestran la velocidad aérea donde se puede lograr el hundimiento mínimo y la velocidad aérea con la mejor relación L / D. La curva tiene forma de U invertida. A medida que las velocidades se reducen, la elevación cae rápidamente alrededor de la velocidad de pérdida. El pico de la 'U' tiene un arrastre mínimo.
Como la sustentación y el arrastre son proporcionales al coeficiente de sustentación y arrastre 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 arrastre. o Cl / Cd, y dado que ambos son proporcionales a la velocidad aerodinámica, la relación de L / D o Cl / Cd se representa típicamente contra el ángulo de ataque.
Arrastrar
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 en un pequeño ángulo de ataque , esto significa que un componente de la fuerza se dirige hacia atrás. La componente hacia atrás de esta fuerza (paralela al viento relativo) se considera resistencia. A bajas velocidades, una aeronave tiene que generar sustentación con un ángulo de ataque más alto, lo que conduce a una mayor resistencia inducida. Este término domina el lado de baja velocidad del gráfico de arrastre, el lado izquierdo de la U.
El arrastre del perfil es causado por el aire que golpea el ala y otras partes de la aeronave. Esta forma de arrastre, también conocida como resistencia al viento , varía con el cuadrado de la velocidad (ver ecuación de arrastre ). Por esta razón, el arrastre del perfil es más pronunciado a velocidades más altas, formando el lado derecho de la forma de U del gráfico de arrastre. La resistencia del perfil se reduce principalmente mediante la reducción de la sección transversal y la racionalización.
A medida que la sustentación aumenta de manera constante hasta el ángulo crítico, normalmente es el punto donde la resistencia combinada está en su nivel más bajo, donde el ala o la aeronave se está desempeñando 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 de ala fija motorizada, maximizando así la economía. Como todas las cosas en la ingeniería aeronáutica , la relación entre sustentación y arrastre no es la única consideración para el diseño del ala. El rendimiento con un ángulo de ataque alto y una pérdida suave también son importantes.
Minimizar la resistencia es de particular interés en el diseño y funcionamiento de planeadores de alto rendimiento (planeadores) , el mayor de los cuales puede tener relaciones de planeo cercanas a 60 a 1, aunque muchos otros tienen un rendimiento inferior; 25: 1 se considera adecuado para uso de entrenamiento.
Relación de planeo
Cuando se vuela a una velocidad constante en aire en calma, un planeador se mueve hacia adelante una cierta distancia y una cierta distancia hacia abajo. La relación entre la distancia hacia delante y hacia abajo se llama relación de planeo . La relación de planeo (E) es numéricamente igual a la relación de sustentación a arrastre 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 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 se desliza más rápido, pero casi mantiene su relación de planeo. [20]
La relación de deslizamiento (o "delicadeza") es la cotangente del ángulo descendente, el ángulo de deslizamiento (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.
Ejemplos de
Artículo de vuelo | Guión | Relación L / D / relación de planeo |
---|---|---|
Eta (planeador) | Deslizamiento | 70 [21] |
Gran ave fragata | Elevándose sobre el océano | 15-22 a velocidades típicas [22] |
Ala delta | Deslizamiento | 15 |
Vuelo 143 de Air Canada ( planeador Gimli ) | Boeing 767-200 cuando todos los motores fallaron debido al agotamiento del combustible | ~ 12 |
Vuelo 9 de British Airways | Boeing 747-200B cuando todos los motores fallaron debido a cenizas volcánicas | ~ 15 |
Vuelo 1549 de US Airways | Airbus A320-214 cuando todos los motores fallaron debido a choques con aves | ~ 17 |
Parapente | Modelo de alto rendimiento | 11 |
Helicóptero | en autorrotación | 4 |
Paracaídas motorizado | con un paracaídas rectangular o elíptico | 3.6 / 5.6 |
Transbordador espacial | Aproximación sin motor desde el espacio después de la reentrada. | 4.5 [23] |
Traje de alas | mientras se desliza | 3 |
Vehículo de tecnología hipersónica 2 | Estimación de deslizamiento hipersónico de equilibrio [24] | 2.6 |
Ardilla voladora del norte | Deslizamiento | 1,98 |
Planeador del azúcar (zarigüeya) | Deslizamiento | 1,82 [25] |
Transbordador espacial | Supersónico | 2 (a Mach 2,5) [23] |
Transbordador espacial | Hipersónico | 1.8 (a Mach 5), 1 (sobre Mach 9) [23] |
Apolo CM | Transonic | 0,50 (a Mach 1,13) [26] |
Apolo CM | Reentrada e hipersónico | promedio 0,368 (antes del primer pico g), 0,41 (a Mach 6) [27] [26] |
Importancia de la relación de planeo en vuelo sin motor
Aunque la mejor relación de planeo es importante al medir el rendimiento de una aeronave en planeo, su relación de planeo en un rango de velocidades también determina su éxito (ver artículo sobre planeo ).
Los pilotos a veces vuelan al mejor L / D de la aeronave controlando con precisión la velocidad del aire y operando suavemente los controles para reducir la resistencia. Sin embargo, la fuerza del próximo ascenso probable, la minimización del tiempo que se pasa 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 contra el viento, optimizan el ángulo de planeo con respecto al suelo. Para lograr una mayor velocidad en todo el país, los planeadores (planeadores) a menudo se cargan con lastre de agua para aumentar la velocidad aerodinámica y así llegar antes a la siguiente área de elevación. Esto tiene poco efecto en el ángulo de planeo, ya que los aumentos en la tasa de hundimiento y en la velocidad del aire permanecen en proporción y, por lo tanto, el avión más pesado logra una L / D óptima a una velocidad aérea más alta. Si las áreas de elevación son fuertes durante el día, los beneficios del lastre superan la velocidad de ascenso más lenta.
Si el aire se eleva más rápido que la tasa de hundimiento, la aeronave ascenderá. A velocidades más bajas, una aeronave puede tener una peor relación de planeo, pero también tendrá una menor tasa de hundimiento. Una velocidad aerodinámica 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 escalar solo cuando había una fuerte subida de aire. Los planeadores (planeadores) tienen tasas de hundimiento 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 realizar una térmica debido a su velocidad de avance mucho más alta y su tasa de caída mucho más alta. (Tenga en cuenta que el Boeing 767 en el incidente del Gimli Glider logró una relación de planeo de solo 12: 1).
La pérdida de altura se puede medir a varias velocidades y trazar 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, se logra la mejor relación de planeo a velocidades más altas (la relación de planeo no aumenta).
Altísimo
Los animales y los aviones que vuelan pueden alternar los planeos con períodos de vuelo en el aire ascendente . Se utilizan cinco tipos principales de levantamiento: [30] térmicas , levantamiento de cresta , olas de sotavento , convergencias y vuelo dinámico . El vuelo dinámico es utilizado principalmente por aves y algunos modelos de aviones, aunque también se ha logrado en raras ocasiones por aviones piloteados. [31]
Ejemplos de vuelo elevado de aves son el uso de:
- Térmicas y convergencias por rapaces como buitres
- Elevación de cresta por gaviotas cerca de acantilados
- Elevación de olas por aves migratorias [32]
- Efectos dinámicos cerca de la superficie del mar por albatros
Para los humanos, volar es la base de tres deportes aéreos : vuelo sin motor , ala delta y parapente .
Ver también
- Ala delta propulsada con el pie
- Competición de vuelo sin motor
- Lista de vuelos de aerolíneas que requirieron vuelo sin motor
- Planeador submarino
Referencias
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Sección 4.3
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