Vuelo
acción de volar con cualquier movimiento o efecto a través del aire
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El vuelo es el movimiento o la permanencia de un cuerpo en un medio gaseoso sin apoyo directo sobre una superficie. Puede producirse mediante fuerzas aerodinámicas, como la sustentación generada por un ala; mediante fuerzas aerostáticas, como el empuje que mantiene elevado un globo aerostático; mediante propulsión, o mediante una combinación de estos mecanismos.
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El vuelo aparece tanto en la naturaleza como en sistemas desarrollados por el ser humano. Insectos, aves y murciélagos han desarrollado independientemente la capacidad de vuelo propulsado, que también estuvo presente en los extintos pterosaurios.[1] Numerosos otros animales realizan distintas formas de planeo o descenso aéreo controlado. Entre los sistemas artificiales capaces de volar se encuentran los aviones, helicópteros, planeadores, dirigibles, globos aerostáticos y numerosos tipos de vehículo aéreo no tripulado.
El estudio del vuelo comprende disciplinas como la aerodinámica, la mecánica de fluidos, la biomecánica, la fisiología, la etología, la ingeniería aeroespacial y la teoría de control.
Principios físicos
El vuelo de un cuerpo depende de las fuerzas que actúan sobre él y de su interacción con el aire. En el análisis convencional de una aeronave se distinguen cuatro fuerzas principales: peso, sustentación, empuje y resistencia aerodinámica.[2]
El peso es la fuerza debida a la gravedad y está dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra. La sustentación es una fuerza aerodinámica cuya componente permite contrarrestar total o parcialmente el peso. La resistencia se opone al movimiento relativo a través del aire, mientras que el empuje proporciona una fuerza propulsiva que permite mantener o modificar el movimiento.[2]
Estas cuatro fuerzas constituyen una representación especialmente útil para las aeronaves de ala fija. Otros sistemas voladores pueden generar las fuerzas necesarias de maneras diferentes: un helicóptero obtiene sustentación y propulsión mediante sus rotores, un ave o un insecto mediante el movimiento de sus alas y un globo mediante empuje aerostático.
Sustentación
La sustentación es una fuerza producida por la interacción entre un cuerpo y el fluido que lo rodea. En un ala que avanza a través del aire, la geometría del perfil alar, su ángulo de ataque, la velocidad relativa y las propiedades del aire determinan la magnitud de las fuerzas aerodinámicas.
La sustentación puede expresarse convencionalmente mediante
donde es la sustentación, la densidad del aire, la velocidad relativa, una superficie de referencia y el coeficiente de sustentación.
En un vuelo horizontal rectilíneo y a velocidad constante, la componente vertical de las fuerzas aerodinámicas equilibra el peso y las fuerzas longitudinales se encuentran igualmente equilibradas.[2]
La generación de sustentación puede describirse tanto a partir de la distribución de presiones alrededor del ala como mediante el cambio de cantidad de movimiento del aire producido por esta. Ambos enfoques son compatibles y forman parte de la descripción aerodinámica del mismo fenómeno.
Resistencia aerodinámica
La resistencia aerodinámica es la componente de la fuerza aerodinámica paralela y opuesta al movimiento relativo del cuerpo respecto al aire. Puede incluir diferentes contribuciones, entre ellas la resistencia asociada a la forma y fricción del cuerpo y la resistencia inducida, relacionada con la producción de sustentación.
La relación entre sustentación y resistencia, denominada relación sustentación-resistencia, constituye una medida importante de la eficiencia aerodinámica. Tanto los animales planeadores como los planeadores artificiales pueden recorrer grandes distancias horizontales perdiendo relativamente poca altura cuando presentan una relación elevada entre ambas fuerzas.[3]
Empuje
En el vuelo propulsado es necesario aportar energía para compensar las pérdidas asociadas a la resistencia y realizar maniobras, ascensos o aceleraciones. Las aeronaves pueden producir empuje mediante hélices, motores a reacción, rotores u otros sistemas propulsivos.
Los animales voladores producen simultáneamente fuerzas de sustentación y propulsión mediante el movimiento de sus alas. La orientación y magnitud de esas fuerzas varían continuamente durante cada ciclo de batido.
Estabilidad y control
El vuelo requiere controlar la orientación y el movimiento alrededor de tres ejes espaciales, asociados convencionalmente con los movimientos de alabeo, cabeceo y guiñada.
En las aeronaves, este control puede realizarse mediante superficies como alerones, timones de profundidad y timones de dirección, mediante modificaciones del empuje o mediante sistemas automáticos de control.
Los animales voladores modifican continuamente la geometría, orientación y movimiento de sus alas, cola y cuerpo. Esta capacidad permite combinar estabilidad con una elevada maniobrabilidad.
Formas de vuelo
Existen diferentes formas de mantenerse o desplazarse por el aire, que pueden clasificarse según el mecanismo utilizado para generar las fuerzas necesarias.
Vuelo propulsado
En el vuelo propulsado el organismo o vehículo dispone de una fuente propia de energía que permite mantener el movimiento. Los aviones utilizan motores, mientras que aves, murciélagos e insectos emplean músculos para producir el movimiento de las alas.
El vuelo propulsado permite compensar continuamente las pérdidas de energía debidas a la resistencia y, en condiciones adecuadas, ganar altura sin depender exclusivamente de movimientos ascendentes de la atmósfera.
Planeo
El planeo consiste en desplazarse por el aire convirtiendo progresivamente energía potencial gravitatoria en movimiento hacia delante. Un planeador desciende mientras avanza, aunque las corrientes ascendentes de aire pueden permitirle recuperar altura.
Numerosos animales que no poseen vuelo propulsado utilizan superficies corporales para aumentar la sustentación y controlar su descenso. Entre ellos se encuentran las ardillas voladoras, los colugos, diversos reptiles, anfibios, peces y otros grupos.[4]
Vuelo a vela
El vuelo a vela utiliza movimientos ascendentes de la atmósfera para mantener o aumentar la altitud sin necesidad de proporcionar continuamente energía propulsiva.
Las corrientes térmicas, las ascendencias producidas por el relieve y otras estructuras atmosféricas pueden proporcionar la energía necesaria. Este mecanismo es utilizado tanto por planeadores como por numerosas aves de gran tamaño.
Vuelo estacionario
El vuelo estacionario o hovering consiste en mantener una posición aproximadamente fija respecto al suelo mediante la generación continua de una fuerza que compense el peso.
Los helicópteros pueden realizarlo mediante sus rotores. También pueden hacerlo algunos animales, especialmente numerosos insectos y ciertas aves, como los colibríes, mediante movimientos especializados de las alas.
El vuelo estacionario sostenido presenta un coste energético elevado, puesto que el organismo o vehículo debe generar continuamente la fuerza necesaria para soportar todo su peso sin obtener sustentación del desplazamiento horizontal.[4]
Vuelo aerostático
Los globos y dirigibles se mantienen en el aire mediante sustentación aerostática. El volumen de gas que contienen desplaza una masa de aire cuyo peso puede superar al del propio vehículo y su carga, generándose así un empuje ascendente de acuerdo con el principio de Arquímedes.
Este mecanismo no requiere movimiento relativo del vehículo respecto al aire para producir sustentación y es, por tanto, físicamente diferente del vuelo aerodinámico de aviones, helicópteros y animales.
Vuelo animal
El vuelo constituye una de las formas de locomoción animal más especializadas. El vuelo propulsado ha aparecido independientemente en cuatro grandes linajes animales: insectos, pterosaurios, aves y murciélagos; los pterosaurios son el único de estos grupos que se encuentra extinguido.[1]
La evolución del vuelo exige modificaciones anatómicas y fisiológicas capaces de proporcionar superficies sustentadoras, potencia muscular, control, percepción y un metabolismo compatible con el elevado coste energético de la locomoción aérea.[5]
Insectos
Los insectos fueron los primeros animales conocidos en desarrollar vuelo propulsado. La aparición de las alas constituye uno de los acontecimientos fundamentales de su evolución y contribuyó a la extraordinaria diversificación del grupo.
Las alas de los insectos no son extremidades modificadas como las alas de los vertebrados. Se articulan con el tórax y son accionadas mediante músculos especializados. En muchos insectos pequeños la elevada frecuencia de batido y las condiciones aerodinámicas correspondientes a números de Reynolds relativamente bajos producen mecanismos de generación de fuerza diferentes en importancia relativa a los predominantes en grandes aves o aeronaves.
El vuelo de los insectos puede utilizar estructuras de flujo no estacionario, entre ellas vórtices de borde de ataque, rotación rápida del ala y otras interacciones aerodinámicas asociadas al batido.
Pterosaurios
Los pterosaurios fueron los primeros vertebrados conocidos que desarrollaron vuelo propulsado. Aparecieron durante el Triásico Superior y persistieron hasta la extinción masiva del Cretácico-Paleógeno.
Su ala estaba formada principalmente por una membrana sostenida por un cuarto dedo extraordinariamente alargado. Esta configuración era distinta de las alas de las aves y de los murciélagos.[6]
Los pterosaurios alcanzaron una extraordinaria diversidad de tamaños y formas. Algunos azdárquidos gigantes, como Quetzalcoatlus, alcanzaron dimensiones superiores a las de cualquier animal volador actual.
Aves
Las aves desarrollaron sus alas a partir de las extremidades anteriores de dinosaurios terópodos. Las plumas, originalmente presentes antes de la aparición del vuelo moderno, adquirieron funciones aerodinámicas y permiten formar superficies sustentadoras ligeras y modificables.
Durante el vuelo, las aves pueden modificar la extensión, curvatura y orientación de sus alas y plumas. Muchas especies combinan periodos de vuelo batido con planeo y vuelo a vela.
La anatomía de las aves voladoras presenta numerosas adaptaciones relacionadas con el vuelo, entre ellas un esqueleto especializado, potentes músculos pectorales y un sistema respiratorio de elevada capacidad para suministrar el oxígeno necesario durante una actividad metabólicamente exigente.[7]
Murciélagos
Los murciélagos son los únicos mamíferos actuales capaces de realizar vuelo propulsado sostenido. Sus alas se desarrollaron a partir de las extremidades anteriores y están formadas por una membrana de piel sostenida principalmente entre dedos muy alargados.
La estructura flexible del ala permite realizar modificaciones tridimensionales durante cada batido y proporciona una elevada capacidad de maniobra. El vuelo evolucionó independientemente en los murciélagos respecto a aves y pterosaurios.[1]
Al igual que las aves, presentan adaptaciones fisiológicas capaces de mantener el elevado consumo energético asociado al vuelo, aunque sus sistemas respiratorios y sus estructuras alares tienen un origen evolutivo diferente.[7]
Animales planeadores
El planeo ha evolucionado independientemente en numerosos grupos animales. Existen mamíferos, reptiles, anfibios, peces e incluso algunos invertebrados capaces de controlar su trayectoria durante un descenso aéreo.[4]
Estos animales suelen aumentar su superficie efectiva mediante membranas, expansiones cutáneas u otras estructuras. Aunque popularmente muchos reciben el calificativo de «voladores», como las ardillas voladoras o los peces voladores, no producen vuelo propulsado mediante el batido de alas.
Evolución del vuelo animal
El vuelo propulsado constituye un ejemplo notable de evolución convergente. Apareció de manera independiente en insectos, pterosaurios, aves y murciélagos, cuyos últimos antepasados comunes carecían de alas.[1]
Los insectos fueron los primeros en ocupar activamente el medio aéreo. El origen exacto de sus alas ha sido objeto de diferentes hipótesis evolutivas, y su aparición precedió ampliamente a la de los vertebrados voladores.
Entre los vertebrados, el vuelo evolucionó independientemente en pterosaurios, aves y murciélagos. Las tres líneas desarrollaron soluciones anatómicas distintas a un mismo problema físico: los pterosaurios sostuvieron una membrana principalmente mediante un cuarto dedo alargado; los murciélagos mediante varios dedos enormemente elongados; y las aves desarrollaron una superficie sustentadora compuesta principalmente por plumas.[6]
La transición hacia el vuelo probablemente estuvo precedida en diferentes grupos por formas de salto, descenso controlado, planeo o movimientos asistidos por las alas. Las rutas concretas seguidas durante la evolución de cada linaje continúan siendo objeto de investigación.
Vuelo artificial
El ser humano observó e intentó reproducir el vuelo animal desde la Antigüedad. Sin embargo, el desarrollo de máquinas capaces de realizar vuelo controlado requirió comprender progresivamente principios de mecánica, aerostática y aerodinámica.
Vuelo aerostático
El primer medio práctico que permitió transportar seres humanos por el aire fue el globo aerostático. En 1783 los hermanos Joseph-Michel y Jacques-Étienne Montgolfier realizaron demostraciones públicas de globos de aire caliente en Francia, y ese mismo año se efectuaron los primeros vuelos tripulados.
El desarrollo posterior del dirigible permitió añadir propulsión y control direccional a las aeronaves más ligeras que el aire.
Planeadores y nacimiento de la aviación
Durante el siglo XIX, investigadores como George Cayley establecieron principios fundamentales del vuelo de ala fija y distinguieron conceptualmente las funciones de sustentación, propulsión y control.
A finales del siglo, Otto Lilienthal realizó numerosos vuelos controlados mediante planeadores y estudió experimentalmente las características aerodinámicas de diferentes superficies alares.
En 1903 los hermanos Wright realizaron en Kitty Hawk vuelos controlados y propulsados con el Wright Flyer. Su trabajo integró sustentación, propulsión y un sistema de control alrededor de los tres ejes, elementos fundamentales del avión moderno.
Desarrollo de la aviación
Durante el siglo XX, la aviación evolucionó rápidamente desde aeronaves experimentales hasta convertirse en un medio fundamental de transporte, actividad militar, investigación y comercio.
Los motores de pistón y las hélices dominaron inicialmente la aviación. El desarrollo posterior del motor a reacción permitió alcanzar velocidades y altitudes mucho mayores y favoreció la expansión del transporte aéreo comercial.
Paralelamente se desarrollaron aeronaves de ala rotatoria, especialmente el helicóptero, capaces de despegar y aterrizar verticalmente y realizar vuelo estacionario.
En el siglo XXI se ha producido una rápida expansión de los vehículos aéreos no tripulados y de configuraciones eléctricas con múltiples rotores, utilizadas en fotografía, cartografía, inspección, investigación, logística y otras aplicaciones.
Regímenes de vuelo
El comportamiento aerodinámico depende de la relación entre la velocidad del objeto y la velocidad del sonido, expresada mediante el número de Mach.
El vuelo subsónico se produce a velocidades suficientemente inferiores a la del sonido para que los efectos de compresibilidad sean relativamente moderados. La mayor parte de la aviación comercial opera en este régimen.
En el régimen transónico, algunas regiones del flujo alrededor de la aeronave alcanzan velocidades supersónicas mientras otras permanecen subsónicas. La formación de ondas de choque modifica considerablemente la distribución de presiones y la resistencia.
El vuelo supersónico se produce cuando la aeronave se desplaza por encima de la velocidad local del sonido. Está asociado a la formación de ondas de choque y al estampido sónico.
A velocidades varias veces superiores a la del sonido se habla de vuelo hipersónico. En este régimen adquieren especial importancia los efectos térmicos, químicos y de compresibilidad del flujo.
Vuelo a gran altitud
A medida que aumenta la altitud disminuyen la presión y la densidad atmosféricas. Una menor densidad reduce, para una misma velocidad, las fuerzas aerodinámicas que pueden generarse, por lo que las aeronaves deben compensarla mediante una mayor velocidad, superficie sustentadora u otras características de diseño.
En animales, la disponibilidad de oxígeno también constituye una limitación fisiológica. Algunas aves migratorias poseen adaptaciones respiratorias y metabólicas que permiten volar a grandes altitudes.
Existe finalmente una altura a partir de la cual la atmósfera es demasiado tenue para sostener el vuelo aerodinámico convencional. Los vehículos espaciales que operan fuera de la atmósfera dependen principalmente de la propulsión y de la mecánica orbital, por lo que el denominado vuelo espacial se rige por principios diferentes del vuelo atmosférico.
Energía y eficiencia
Todo vuelo propulsado requiere una fuente de energía. La potencia necesaria depende, entre otros factores, de la masa, velocidad, geometría, régimen de vuelo y mecanismo utilizado para producir sustentación.
En los animales, el vuelo es generalmente una actividad metabólicamente exigente y ha favorecido numerosas adaptaciones anatómicas y fisiológicas.[5] El coste energético varía con el tamaño y la modalidad de vuelo; el planeo y el aprovechamiento de corrientes ascendentes permiten reducir considerablemente el trabajo muscular necesario.
En aeronáutica, la eficiencia puede expresarse mediante parámetros como la relación sustentación-resistencia, el consumo específico de combustible o la energía necesaria para transportar una determinada carga a una determinada distancia.
La escala influye profundamente en el vuelo. El tamaño de un objeto modifica simultáneamente su peso, superficie alar, potencia disponible y las características del flujo que lo rodea. Estas relaciones contribuyen a explicar las grandes diferencias entre el vuelo de un pequeño insecto, un ave, un pterosaurio gigante y una aeronave.[4]
Navegación y orientación
Los organismos y vehículos voladores necesitan determinar su orientación y, en muchos casos, su posición y trayectoria.
Las aeronaves modernas pueden combinar sistemas de navegación inercial, instrumentos de vuelo, radioayudas, navegación por satélite, radar y otros sensores.
Los animales emplean diferentes sistemas sensoriales. La visión desempeña un papel fundamental en numerosos grupos, mientras que los murciélagos pueden utilizar ecolocalización. Muchas especies migratorias integran información procedente del Sol, las estrellas, referencias visuales, olores y el campo magnético terrestre para realizar desplazamientos de gran distancia.
Límites del vuelo
La capacidad de vuelo está condicionada por la gravedad, las propiedades de la atmósfera, el tamaño y geometría del cuerpo y la cantidad de energía disponible.
En los animales, el aumento de tamaño presenta importantes restricciones biomecánicas. La masa aumenta más rápidamente que determinadas dimensiones relacionadas con la superficie y la producción de fuerza, mientras que el despegue de grandes animales requiere una elevada potencia. Estas relaciones contribuyen a establecer límites al tamaño de los animales capaces de mantener vuelo propulsado.[4]
En el extremo opuesto, los organismos muy pequeños vuelan en condiciones en las que la viscosidad del aire tiene una importancia relativa mayor. El número de Reynolds permite caracterizar estas diferencias y explica por qué las estrategias aerodinámicas de pequeños insectos pueden diferir sustancialmente de las de aves o aeronaves.
La densidad atmosférica establece también límites ambientales. Una atmósfera más densa facilita la generación de fuerzas aerodinámicas para una determinada superficie y velocidad, mientras que una atmósfera menos densa exige mayores velocidades u otras adaptaciones.[5]
Vuelo en otros planetas
Los principios del vuelo atmosférico son aplicables a otros cuerpos celestes que poseen atmósfera, aunque las diferencias de gravedad, densidad, temperatura y composición modifican las condiciones necesarias.
En Marte, la baja densidad atmosférica dificulta considerablemente la generación de sustentación, mientras que su menor gravedad reduce el peso de una aeronave. En 2021 el helicóptero Ingenuity realizó el primer vuelo propulsado y controlado de una aeronave en otro planeta.
Otros cuerpos del sistema solar, como Venus y Titán, poseen atmósferas densas que permiten considerar diferentes conceptos de aeronaves para su exploración.
