Vuelo

Algunos seres que vuelan no generan empuje propulsor a través del aire, por ejemplo: la ardilla voladora . Esto se denomina planeo . Otros seres pueden aprovechar las corrientes de aire ascendentes para ascender, como las aves rapaces (cuando planean) y los planeadores artificiales . Esto se denomina vuelo sin motor . Sin embargo, la mayoría de las demás aves y todas las aeronaves motorizadas necesitan una fuente de propulsión para ascender. Esto se denomina vuelo motorizado.

Los únicos grupos de seres vivos que utilizan el vuelo propulsado son las aves , los insectos y los murciélagos , mientras que muchos grupos han desarrollado el planeo. Los pterosaurios extintos , un orden de reptiles contemporáneo de los dinosaurios , también fueron animales voladores muy exitosos, ^{[ 3 ]} y aparentemente existieron algunos dinosaurios voladores . Las alas de cada uno de estos grupos evolucionaron de forma independiente , siendo los insectos el primer grupo animal en desarrollar el vuelo. ^{[ 4 ]} Las alas de los grupos de vertebrados voladores se basan en las extremidades anteriores, pero difieren significativamente en su estructura; se hipotetiza que las alas de los insectos son versiones altamente modificadas de las estructuras que forman las branquias en la mayoría de los demás grupos de artrópodos . ^{[ 3 ]}

Los murciélagos son los únicos mamíferos capaces de mantener el vuelo horizontal (véase vuelo de murciélago ). ^{[ 5 ]} Sin embargo, existen varios mamíferos planeadores que pueden planear 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 grandes para un propósito similar, y hay lagartos voladores que despliegan sus costillas móviles formando un par de superficies planas para planear. Las serpientes "voladoras" también utilizan costillas móviles para aplanar su cuerpo en una forma aerodinámica, con un movimiento de vaivén como el que utilizan en el suelo.

Los peces voladores pueden planear usando aletas agrandadas similares a alas, y se les ha observado planeando durante cientos de metros. Se cree que esta capacidad fue seleccionada por la naturaleza porque era un medio eficaz para escapar de los depredadores submarinos. El vuelo más largo registrado de un pez volador fue de 45 segundos. ^{[ 6 ]}

La mayoría de las aves pueden volar , 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 Sudamérica en la era Cenozoica . Los pingüinos, que no vuelan, tienen alas adaptadas para su uso bajo el agua y utilizan los mismos movimientos de alas para nadar que la mayoría de las demás aves usan para volar. La mayoría de las aves pequeñas no voladoras son nativas de pequeñas islas y llevan un estilo de vida en el que volar les ofrecería pocas ventajas.

Entre los animales voladores vivos, el albatros errante tiene la mayor envergadura, hasta 3,5 metros (11 pies) ; la avutarda grande tiene el mayor peso, llegando a los 21 kilogramos (46 libras) . ^{[ 7 ]}

La mayoría de las especies de insectos pueden volar en su etapa adulta. El vuelo de los insectos utiliza uno de dos modelos aerodinámicos básicos: la creación de un vórtice en el borde de ataque, presente en la mayoría de los insectos, y el uso de un movimiento de aplauso y lanzamiento , presente en insectos muy pequeños como los trips . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Muchas especies de arañas , ácaros y lepidópteros utilizan una técnica llamada "vuelo en globo" para aprovechar las corrientes de aire, como las térmicas , exponiendo sus finos filamentos que son elevados por el viento y los campos eléctricos atmosféricos .

El vuelo mecánico consiste en el uso de una máquina para volar. Estas máquinas incluyen aeronaves 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, donde un objeto similar a un paracaídas es arrastrado por una embarcación. En un avión, la sustentación se crea mediante las alas; la forma de las alas del avión está diseñada específicamente para el tipo de vuelo deseado. Existen diferentes tipos de alas: templadas, semitempladas, en flecha, rectangulares y elípticas. Un ala de avión a veces se denomina perfil aerodinámico , que es un dispositivo que crea sustentación cuando el aire fluye a través de ella.

Hipersónico

El vuelo hipersónico es un vuelo a muy alta velocidad donde el calor generado por la compresión del aire debido al movimiento a través de él provoca cambios químicos en el aire. El vuelo hipersónico se logra principalmente mediante la reentrada de naves espaciales como el transbordador espacial y la Soyuz .

Algunos objetos generan poca o ninguna sustentación y se mueven únicamente o principalmente por la acción del momento, la gravedad, la resistencia del aire y, en algunos casos, el empuje. Esto se denomina vuelo balístico . Algunos ejemplos son las pelotas , las flechas , las balas , los fuegos artificiales , etc.

En esencia, el vuelo espacial, una forma extrema de vuelo balístico, consiste en el uso de tecnología espacial para lograr el desplazamiento de naves espaciales hacia y a través del espacio exterior . Algunos ejemplos son los misiles balísticos y los vuelos espaciales orbitales .

Los vuelos espaciales se utilizan en la exploración espacial , así como 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 generalmente comienza con el lanzamiento de un cohete , que proporciona el impulso inicial para vencer la fuerza de la 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 sin propulsión como con propulsión, se estudia en el campo de la astrodinámica . Algunas naves espaciales permanecen en el espacio indefinidamente, otras se desintegran durante la reentrada atmosférica y otras alcanzan la superficie de un planeta o la Luna para aterrizar o impactar.

En 2018, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lograron volar un avión sin partes móviles, impulsado por un " viento iónico ", también conocido como empuje electroaerodinámico. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Un avión de ala fija genera empuje hacia adelante cuando el aire es empujado en la dirección opuesta al vuelo. Esto puede hacerse de varias maneras, incluyendo mediante las palas giratorias de una hélice , la expansión de los gases de escape expulsados ​​desde la parte posterior de un motor a reacción , o mediante la eyección de gases calientes de 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. El empuje inverso puede generarse para ayudar al frenado después del aterrizaje invirtiendo el paso de las palas de una hélice de paso variable, o utilizando un inversor de empuje en un motor a reacción. Los aviones de ala rotatoria y los aviones V/STOL con vectorización de empuje utilizan el empuje del motor para soportar el peso de la aeronave, 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 relativo a un cuerpo en vuelo, 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 provoca que el aire circundante se desvíe; el aire entonces ejerce 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 también la generan los rotores de los helicópteros (que son, en esencia, alas giratorias que realizan la misma función sin necesidad de que la aeronave se desplace hacia adelante). Si bien el significado común de la palabra " sustentación " sugiere que se opone a la gravedad, la sustentación aerodinámica puede presentarse en cualquier dirección. Por ejemplo, cuando un avión vuela a velocidad de crucero , la sustentación se opone a la gravedad, pero se produce en ángulo al ascender, descender o inclinarse. En los automóviles de alta velocidad, la fuerza de sustentación se dirige hacia abajo (denominada "fuerza descendente") para mantener el vehículo estable en la carretera.

Para un objeto sólido que se mueve a través de un fluido, la resistencia aerodinámica es el componente de la fuerza aerodinámica o hidrodinámica neta que actúa en sentido contrario a la dirección del movimiento. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} Por lo tanto, la resistencia aerodinámica se opone al movimiento del objeto y, en un vehículo motorizado, debe ser vencida por el empuje . El proceso que crea sustentación también genera cierta resistencia aerodinámica.

La sustentación aerodinámica se crea por 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, por lo tanto, generar una cantidad equivalente de sustentación. Los grandes aviones de carga suelen usar alas más largas con mayores ángulos de ataque, mientras que los aviones supersónicos suelen tener alas cortas y dependen en gran medida de una alta velocidad de avance para generar sustentación.

Sin embargo, este proceso de sustentación (deflexión) inevitablemente genera una fuerza de frenado denominada resistencia aerodinámica. Dado que tanto la sustentación como la resistencia aerodinámica son fuerzas aerodinámicas, la relación entre sustentación y resistencia aerodinámica indica la eficiencia aerodinámica del avión. Esta relación se denomina relación L/D, que se pronuncia "relación L sobre D". Un avión tiene una relación L/D elevada si produce una gran cantidad de sustentación o una pequeña cantidad de resistencia aerodinámica. La relación sustentación/resistencia aerodinámica se determina dividiendo el coeficiente de sustentación entre el coeficiente de resistencia aerodinámica, CL/CD. ^{[ 29 ]}

El coeficiente de sustentación Cl es igual a la sustentación L dividida por (la densidad r multiplicada por la mitad de la velocidad V al cuadrado multiplicada por el área del ala A). [Cl = L / (A * 0,5 * r * V²)] 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 * 0,5 * r * V^2)] ^{[ 31 ]}

La relación sustentación-resistencia en aeronaves prácticas varía 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 con respecto al movimiento hacia adelante también aumenta la deflexión y, por lo tanto, genera sustentación adicional. Sin embargo, un mayor ángulo de ataque también genera resistencia adicional.

La relación sustentación/resistencia también determina la relación de planeo y el alcance 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 afecta. El único efecto del peso es que varía el tiempo que la aeronave planeará: una aeronave más pesada que planee a mayor velocidad llegará al mismo punto de aterrizaje en menos tiempo. ^{[ 32 ]}

La presión del aire que actúa hacia arriba contra un objeto suspendido en el aire es mayor que la presión que ejerce la parte superior hacia abajo. En ambos casos, la fuerza de flotación 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 normal y temperatura ambiente tiene una masa de aproximadamente 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 experimenta una fuerza de flotación de 12 newtons. Si la masa del objeto de 1 metro cúbico es mayor que 1,2 kilogramos (de modo que su peso sea mayor que 12 newtons), cae al suelo al soltarlo. Si un objeto de este tamaño tiene una masa menor que 1,2 kilogramos, asciende en el aire. Cualquier objeto cuya masa sea menor que la de un volumen igual de aire ascenderá en el aire; en otras palabras, cualquier objeto menos denso que el aire ascenderá.

La relación empuje-peso es, como su nombre indica, la relación entre el empuje instantáneo y el peso (donde peso significa peso a la aceleración estándar de la Tierra) .${\displaystyle g_{0}}$). ^{[ 33 ]} Es un parámetro adimensional característico de los cohetes y otros motores a reacción y de los vehículos propulsados ​​por dichos motores (típicamente vehículos de lanzamiento espacial y aeronaves a reacción ).

Si la relación empuje-peso es mayor que la fuerza de la gravedad local (expresada en g s), entonces el vuelo puede ocurrir sin necesidad de 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 la sustentación aerodinámica.

En el caso de las aeronaves, el tráfico aéreo está controlado por sistemas de control de tráfico aéreo .

La prevención de colisiones es el proceso de controlar las naves espaciales para intentar evitar colisiones.