Vuelo dinámico

El vuelo dinámico es una técnica de vuelo que se utiliza para ganar energía cruzando repetidamente el límite entre masas de aire de diferente velocidad . Estas zonas de gradiente de viento se encuentran generalmente cerca de obstáculos y cerca de la superficie, por lo que la técnica es útil principalmente para aves y operadores de planeadores radiocontrolados , pero los pilotos de planeadores a veces pueden realizar vuelos dinámicos en cizalladuras de viento meteorológico a mayor altitud.

El vuelo dinámico a veces se confunde con el vuelo de ladera, que es una técnica para ganar altitud.

Si bien en el vuelo dinámico se pueden emplear diferentes patrones de vuelo, el más simple consiste en un bucle cerrado a través de la capa de cizallamiento entre dos masas de aire en movimiento relativo, por ejemplo, aire estacionario en un valle y una capa de viento sobre el valle. El aumento de velocidad se puede explicar en términos de velocidad aerodinámica y velocidad respecto al suelo:

• Cuando el planeador comienza el rizo, por ejemplo, en una masa de aire estacionaria, la velocidad respecto al suelo y la velocidad respecto al aire son iguales.
• El planeador entra en la masa de aire en movimiento casi de frente, lo que aumenta su velocidad.
• El planeador gira entonces 180°, donde logra mantener la mayor parte de su velocidad gracias a la inercia. Esto debe ocurrir inmediatamente, o perderá velocidad respecto al suelo. La velocidad respecto al suelo del planeador, primero con viento cruzado y luego con viento de cola, es ahora mayor al girar, ya que el viento de cola lo ha acelerado.
• El bucle continúa con el planeador reingresando a la masa de aire estacionaria y girando, manteniendo la velocidad aerodinámica y la velocidad respecto al suelo ahora más elevadas.
• Cada ciclo da como resultado velocidades más altas, hasta un punto en el que la resistencia impide un aumento adicional.

La energía se extrae utilizando la diferencia de velocidad entre las dos masas de aire para elevar el objeto volador a una mayor altitud (o para revertir el descenso, respectivamente) después de la transferencia entre las masas de aire.

En la práctica, existe una capa de mezcla turbulenta entre la masa de aire en movimiento y la estacionaria. Además, las fuerzas de arrastre frenan continuamente el avión. Dado que una mayor velocidad genera mayores fuerzas de arrastre, existe una velocidad máxima que se puede alcanzar. Esta suele ser aproximadamente 10 veces la velocidad del viento en los diseños de planeadores eficientes.

Cuando las aves marinas realizan planeos dinámicos, los gradientes de viento son mucho menos pronunciados, por lo que la extracción de energía es comparativamente menor. En lugar de volar en círculos como los pilotos de planeadores, las aves suelen ejecutar una serie de semicírculos en direcciones opuestas, en un patrón de zigzag. Un ascenso inicial a través del gradiente, de cara al viento, les permite ganar velocidad. Luego, giran 180° y descienden en picada a través del mismo gradiente, pero en la dirección del viento, lo que nuevamente les permite ganar velocidad. A continuación, giran 180° a baja altitud, en la dirección opuesta, para volver a encarar el viento... y el ciclo se repite. Al repetir la maniobra una y otra vez, pueden avanzar lateralmente al viento manteniendo su velocidad, lo que les permite viajar en dirección transversal al viento indefinidamente.

Dado que la resistencia del aire frena al ave, el vuelo dinámico implica un equilibrio entre la velocidad perdida por la resistencia y la velocidad ganada al moverse a través del gradiente de viento. En cierto punto, ascender a mayor altitud no aporta ningún beneficio adicional, ya que el gradiente de viento disminuye con la altura.

Los albatros son particularmente hábiles para aprovechar estas técnicas y pueden recorrer miles de kilómetros con muy poca energía. Las gaviotas y los charranes también exhiben este comportamiento en vuelo. Las aves que planean dinámicamente poseen una estructura esquelética que les permite bloquear sus alas durante el vuelo, reduciendo así la tensión y el esfuerzo muscular.

Lord Rayleigh describió por primera vez el vuelo dinámico en 1883 en la revista británica Nature : ^{[ 1 ]}

...un pájaro sin mover las alas no puede, ni en aire en calma ni con viento horizontal uniforme, mantener su nivel indefinidamente. Durante un breve tiempo, dicho mantenimiento es posible a costa de una velocidad relativa inicial , pero esta debe agotarse pronto. Por lo tanto, siempre que un pájaro siga su curso durante algún tiempo sin mover las alas, debemos concluir que...

1. que el curso no es horizontal,
2. que el viento no sea horizontal, o
3. que el viento no es uniforme.

Es probable que la verdad esté representada habitualmente por (1) o (2); pero la cuestión que deseo plantear es si la causa sugerida por (3) no puede entrar en funcionamiento en ocasiones.

El primer caso descrito anteriormente por Rayleigh es el vuelo planeado simple , el segundo es el vuelo estático (utilizando térmicas , ondas de sotavento o vuelo de ladera ), y el último es el vuelo dinámico. ^{[ 2 ]}

En su libro de 1975 , Streckensegelflug (publicado en inglés en 1978 como Cross-Country Soaring por la Soaring Society of America ), Helmut Reichmann describe un vuelo realizado por Ingo Renner en un planeador Glasflügel H-301 Libelle sobre Tocumwal , Australia, el 24 de octubre de 1974. Ese día no había viento en la superficie, pero por encima de una inversión a 300 metros había un fuerte viento de unos 70 km/h (40 nudos ). Renner fue remolcado hasta unos 350 m desde donde descendió en picado a favor del viento hasta entrar en la zona de calma; luego hizo un giro de 180 grados (con alta g ) y volvió a ascender. Al pasar por la inversión, volvió a encontrarse con el viento de 70 km/h, esta vez como viento de frente. La velocidad adicional que esto le proporcionó le permitió recuperar su altura original. Al repetir esta maniobra, logró mantener su altitud durante unos 20 minutos sin la presencia de corrientes ascendentes, aunque se desplazaba rápidamente a favor del viento. En vuelos posteriores con un planeador Pik 20 , perfeccionó la técnica, logrando eliminar la deriva a favor del viento e incluso avanzar contra él.   

La técnica de vuelo dinámico se adapta a los vehículos aéreos no tripulados para mejorar su rendimiento en condiciones de baja propulsión. Esto aumenta la autonomía y el alcance de la aeronave en condiciones adversas.

El vuelo dinámico puede utilizarse como medio para superar la velocidad del viento solar, aprovechando las diferencias en esta velocidad cerca del sol, la Tierra y/o la heliopausa. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

A finales de la década de 1990, el vuelo sin motor radiocontrolado adoptó la idea del vuelo dinámico (un "descubrimiento" atribuido en gran medida al renombrado piloto de vuelo sin motor radiocontrolado Joe Wurts). ^{[ 5 ]} Los pilotos de planeadores radiocontrolados realizan vuelo dinámico utilizando la ladera de sotavento de accidentes geográficos como crestas, collados o incluso hileras de árboles. Si la cresta está orientada hacia el viento y tiene una pendiente pronunciada en la parte posterior (sotavento), puede provocar la separación del flujo de aire en la cima de la colina, lo que resulta en una capa de aire rápido que se mueve sobre un volumen de aire estancado o de flujo inverso detrás de la colina. El gradiente de velocidad, o cizalladura del viento , puede ser mucho mayor que el utilizado por las aves o los planeadores de tamaño real. El gradiente más alto permite una extracción de energía correspondientemente mayor, lo que resulta en velocidades mucho mayores para la aeronave. Los modelos cruzan repetidamente la capa de cizallamiento volando en una trayectoria circular, penetrando un viento de frente rápido tras ascender por la ladera posterior, girando para volar a favor del viento, descendiendo a través de la capa de cizallamiento hacia el aire estancado y girando de nuevo para ascender por la ladera posterior. Las cargas causadas por los giros rápidos a alta velocidad (los modelos más veloces pueden soportar más de 100 G ) requieren un refuerzo estructural significativo en el fuselaje y las alas. Por ello, los modelos de vuelo dinámico se construyen habitualmente con materiales compuestos .

Hasta el 21 de febrero de 2023, la velocidad máxima registrada para el vuelo dinámico por control remoto fue de 908 km/h o 564 mph (490 nudos) . ^{[ 6 ]} No existe una organización oficial que certifique las velocidades, por lo que los récords se registran extraoficialmente con base en lecturas de radares, aunque también se utiliza el análisis de grabaciones de video y otras fuentes. Últimamente, algunos modelos han comenzado a incorporar telemetría y otros instrumentos a bordo para registrar datos como la aceleración, la velocidad del aire, etc.  

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