Precursores de la Aviación
Volar ha sido, desde los tiempos más remotos, un sueño perseguido por el hombre. Las más antiguas leyendas de todas las culturas relatan cómo sus héroes conseguían elevarse por los aires: Pegaso, el caballo alado; Hermes, el mensajero de los dioses con alas en sus pies; Dédalo, que construyó para él y su hijo Ícaro unas alas para escapar del laberinto de Greta; el emperador chino Yuang-Fu, el cual voló con su trono impulsado por cohetes; el rey persa Kabus, que lo hizo en una barquilla arrastrada por águilas; y de esta forma podríamos seguir enumerando hasta cansarnos.
Si dejamos a un lado la leyenda, encontraremos que ya la Escuela Pitagórica hizo muchas tentativas aritméticas para resolver la aplicación del movimiento alado al hombre. Archytas de Torento (428-327 a.C.) construyó un modelo de un pájaro que volaba gracias a la propulsión del vapor al escapar de unos agujeros hechos en la cola. En el año 62 d.C., Herón de Alejandría construye un juguete consistente en una esfera que giraba gracias a la acción del vapor de agua tras escapar por una serie de agujeros situados en la superficie. En el año 500 a.C., descubrimos el primer antecedente al helicóptero, técnicos chinos diseñan un trompo volador, juguete que consistía en un palo con una hélice acoplada a un extremo que, al girar entre las manos, salía volando. La civilización china era ya especialista en utilizar cometas para sus comunicaciones.
Durante el Imperio Bizantino, se afirmó la teoría del plano inclinado, principio científico de la aeronáutica moderna. Siendo emperador Emmanuel Comneno (67 d.C.), un sarraceno saltó desde la torre del hipódromo de Constantinopla consiguiendo planear unos segundos. La Edad Media está plagada de ejemplos de estos "saltadores de torres" que en la mayoría de los casos no conseguían más que romperse alguna que otra costilla en los mejores casos. Según cronistas árabes, en el siglo IX Abul Abás Kasím Ben Firnás, nacido en Ronda hacia el 800, mandó tejer una gran túnica de seda con unos largueros de madera articulados que se podían mover y abrir de forma similar a unas alas; con ella se lanzó desde la Arruzata y descendió planeando un largo trecho. Por otro lado, en el siglo XI, un monje de la abadía de Malmesbury, de nombre Eilmer, fabricó un arnés que se fijaba con correas al torso y que llevaba alas, con el se tiró desde lo alto de la torre de la abadía estrellándose contra el suelo.
A mediados del siglo XIII, Roger Bacon asegura en uno de sus libros - titulado "De las fuerzas maravillosas del arte y de la naturaleza" - que existen unos instrumentos que permiten al hombre volar como las aves y que sabe quién las inventó, reservándose todos los detalles y sin especificar nada más. Dente el Perugino preparó unas alas con las que en 1494 se tiró desde una torre de la plaza mayor de su ciudad para festejar una boda. En 1497, Rodrigo Alemán, autor de las sillerías de los coros de Toledo y Zamora, se precipitó desde la torre de la catedral de Plasencia con unas alas de tela armadas con madera y alambre, recorriendo según las crónicas "más de un cuarto de lengua". Éstos "saltadores de torres", a pesar de sus espectaculares actuaciones, poco contribuyeron al avance tecnológico de los primeros vuelos.
Mención especial merece el pintor, escultor, matemático, físico e ingeniero renacentista Leonardo Da Vinci (1452-1519) que dedicó gran parte de su vida a estudiar el movimiento de las aves y a diseñar máquinas capaces de imitarlo. En sus cuadernos encontramos más de 500 dibujos y notas referidas a sus dispositivos u "ornitópteros" como a él le gustaba llamarlos. Da Vinci introdujo una nueva dimensión en las técnicas aéreas, investigando los fundamentos físicos del empuje y resistencia aerodinámica generados durante el vuelo. Otra contribución de Leonardo fue su defensa sobre el "Principio del Túnel del Viento", tal fue la magnitud de su descubrimiento que en su "Códex Atlanticus" encontramos la siguiente afirmación: "La fuerza ejercida por un objeto contra el aire, es la misma que la que el aire ejerce contra el objeto".
Por desgracia, gran parte de las investigaciones de Leonardo Da Vinci sobre la aeronáutica fue eclipsada por otras muchas de sus aportaciones artísticas, además, sus teorías quedaban demasiado avanzadas para su tiempo por lo que hubo que esperar muchos años para que las bases de la ingeniería aeronáutica se asentaran definitivamente.
BASES CIENTÍFICAS: DEL BARROCO AL SIGLO XX
La revolución científica abarcó los siglos XVI y XVII. Durante este período, científicos como; Copérnico, Gilbert, Galileo y Descartes postularon leyes que posteriormente han sido nuestra base científica. El mayor impulsor de esta época fue Isaac Newton (1642 - 1727), el cuál marcaría las pautas que se han mantenido vigentes.
Para el diseño de una máquina voladora, uno de los principios básicos es conocer cómo la fuerza aerodinámica de la máquina varía con la velocidad de vuelo. Sin este conocimiento es imposible diseñar una aeronave viable.
Dos experimentos independientes, uno por Edme Mariotte (1673) y otro Christiaan Huygens (1690), basados en las teorías fundamentales postuladas por Isaac Newton, establecían claramente que la fuerza sobre un objeto varía como el cuadrado de la velocidad del fluido.
En comparación con los siglos anteriores, donde el progreso en aerodinámica fue mínimo, de pronto la realización de la ley del cuadrado de la velocidad para la fuerza aerodinámica representó el mayor descubrimiento científico en la evolución de la historia de la aerodinámica.
A finales del siglo XVII, Newton , basándose en Mariotte y Huygens, desarrolló por primera vez en la historia que la fuerza aerodinámica era proporcional al producto de la densidad del fluido, superficie frontal del cuerpo y velocidad relativa al cuadrado.
De forma indirecta, Newton aportó la primera contribución técnica hacia el análisis de los efectos del ángulo de ataque sobre la fuerza aerodinámica. Fue simplemente una hipótesis que ayudó a desarrollos posteriores, aunque inicialmente era un modelo pesimista y retrógrado.
Durante el siglo XVIII, Benjamin Robins desarrolló dos mecanismos; el péndulo balístico y el brazo giratorio, demostrando experimentalmente las características aerodinámicas de los cuerpos a bajas y altas velocidades:
• Reforzó los primeros resultados obtenidos por Mariotte y Huygens.
• Fue el primero en demostrar que dos cuerpos aerodinámicos con diferentes formas, pero la misma área frontal proyectada, tenían distintos valores de resistencia.
Fue una gran contribución para el desarrollo de los túneles aerodinámicos que comenzó a finales del siglo XIX.
No olvidemos que las aeronaves se mueven a través del aire, que es un fluido. Así para poder desarrollar una máquina que pudiese volar sería necesario tener conocimiento de la parte de la Física que estudia el movimiento de los fluidos: la Dinámica de Fluidos, y en concreto, de la Aerodinámica, que se encarga de estudiar el movimiento del aire. De esta forma, en los siglos XVIII y XIX, se establecieron las bases de tales ciencias. De todos los descubrimientos realizados en esa época, es necesario destacar tres, por su gran relevancia:
1) Daniel Bernoulli, en el siglo XVIII, estudió la relación entre la velocidad de un fluido y la presión del mismo, llegando a la conclusión de que a medida que se aumenta la velocidad disminuye la presión y viceversa. Esto hizo que estableciese su famosa ecuación:
donde p denota la presión, ρ la densidad del fluido y V la velocidad.
Con esta ecuación se puede entender cómo se genera la sustentación en una aeronave: en el ala, el aire que circula por debajo de la misma (por el intradós) tiene una velocidad menor que el que circula por encima de la misma (por el extradós), por lo que, el aire del intradós tiene mayor presión que el del extradós, produciéndose, debido a esta diferencia de presiones, una fuerza "hacia arriba" que se llama sustentación y que es la responsable de mantener a una aeronave en vuelo.
2) Claude Navier y Sir George Stokes, en el siglo XIX, establecieron las ecuaciones generales que rigen el movimiento de los fluidos (denominadas ecuaciones de Navier-Stokes) Son tres: la ecuación de conservación de la masa, la ecuación de cantidad de movimiento y la ecuación de conservación de la energía. La primera y tercera, como su nombre indica, establecen que la masa y la energía, respectivamente, ni se crean ni se destruyen, mientras que la segunda es la aplicación de la segunda ley de Newton a los fluidos, aquella que dice que la fuerza es igual a la masa por la aceleración.
3) Osborne Reynolds, también en el siglo XIX, hizo estudios sobre la fricción producida por un fluido sobre los cuerpos que se mueven en su seno, es decir, la fuerza que frena el movimiento de cualquier objeto que fluya en él. Así, descubrió, que el fluido puede moverse según dos posibles flujos: el flujo laminar, en el que el fluido se mueve de forma ordenada y regular, y el turbulento, en el que el fluido se mueve de forma caótica e irregular. La resistencia es mucho mayor cuando el flujo alrededor de un cuerpo es turbulento que cuando es laminar, por lo que, el paso de uno a otro es fundamental en el estudio de la fricción producida por un fluido.
A la par que se daban estos descubrimientos, nos encontramos la primera gran contribución al diseño de las aeronaves, tal como las conocemos hoy en día. Fue gracias al inglés Sir George Cayley, el cual, fue el primero en proponer una configuración para una máquina más pesada que el aire consistente en un ala fija, un fuselaje y una cola, con estabilizadores horizontal y vertical. Además estableció la idea de separar los elementos que producen las dos fuerzas fundamentales necesarias para volar: la sustentación, y el empuje, necesario para vencer la resistencia del aire (al contrario de lo que ocurría con el ornitóptero de Da Vinci, en el que mediante el batimiento de las alas, se conseguía todo). Para obtener la primera, introdujo el concepto de ala fija y para la segunda, propuso utilizar un motor. En cuanto a esto último, en aquella época sólo existían los motores de vapor, pero tenían el problema de tener un peso demasiado elevado para poder ser utilizado en una aeronave. Por esto, Cayley inventó el motor de aire-caliente, precursor de los motores de gasolina, aunque no consiguió obtener una relación empuje/peso lo suficientemente elevada para resultar útil en el vuelo.
Aunque Cayley sólo tuvo éxito con el diseño de planeadores, es decir, no consiguió que una máquina más pesada que el aire alzase el vuelo por sus propios medios por el problema del motor antes comentado, su contribución a la aeronáutica fue fundamental.
El siglo XIX fue testigo, también, de grandes avances como el túnel de viento, los perfiles curvos y nuevos sistemas de divulgación científica, pero su ultima década vio como casi simultáneamente en Europa y Estados Unidos cuatro soñadores continuaban la tradición de intentar despegar del suelo.
Hiram Maxim, norteamericano, logró el 31 de julio de 1894 en Inglaterra, donde realizó todos los desarrollos aeronáuticos, un nuevo record de vuelo con un aparato de 8000 libras de peso durante 400 pies y a una altura de 2. Previamente había comprobado entre 1889 y 1891, tras numerosos ensayos en su túnel de viento, que la sustentación era directamente proporcional al ángulo de ataque. El peso de la aeronave rondo las 8000 libras y sus propulsores proporcionaban 22 libras por caballo de vapor. El mayor logro fue que era la aeronave más grande y potente que había logrado volar hasta la fecha.
Clement Ader, francés, no siguió ninguna serie organizada de experimentos para la obtención de datos sobre los que basar sus pruebas, sino que las basó en la forma y vuelo de pájaros y murciélagos. En 1872 construyo un ornitóptero con una envergadura de 26 pies y un peso de 53 libras pero no tuvo éxito. Tras continuar estudiando aves finalizó, en 1890, un monoplano con una envergadura de 50 pies propulsado por una hélice conectada a un motor de vapor con una potencia de 20 caballos. Este aparato, al que llamo ´Eolo´, se elevó tras una rodadura de 90 pies durante otros 165, el 9 de Octubre en 1890, con Ader como piloto. Así, fue el primer aeroplano propulsado pilotado que volaba, aunque la gran aportación del mismo fue su motor de vapor.
Otto Lilienthal, alemán, probó tras 22 años de ensayos aerodinámicos la superioridad de las superficies sustentadoras curvas frente a las planas. La otra gran aportación fue la utilización de coeficientes aerodinámicos para trabajar con la fuerza aerodinámica medida en sus modelos. Completados sus experimentos, intentó llevar a cabo la idea del vuelo sin motor, con superficies movidas por el piloto. Su primer invento fue una gran superficie alar, con espacio en medio para manejarla, en 1889 que no llegó a usar, pero en 1891 se convirtió en el primer humano en lograrlo. Basado en el vuelo aviar diseñó un motor de un cilindro para batir las alas de un ornitóptero que comenzó a probar en 1893, y hasta 1896 llegó a vender varias unidades. Dado que sus diseños no llegaron a sustentarse, pasó a la historia en mayor medida por sus ensayos y conclusiones aerodinámicas.
Samuel Langley, norteamericano, era un distinguido físico y astrónomo antes de dedicarse a la investigación aerodinámica con la construcción de aeronaves de alas curvas. Terminó la primera en Septiembre de 1887 y realizó experimentos con ella durante 4 años, en 1891 publicó sus resultados en el libro Experiments in Aerodinamics. Todos los datos publicados fueron de perfiles planos, y obtuvo un coeficiente de Smeaton k=0.003, aunque la conclusión mas controvertida y famosa que hizo fue la llamada "Ley Langley": "...para mantener dichas aeronaves en vuelo horizontal a altas velocidades, es necesaria menos potencia que para bajas". En cuanto a pruebas de vuelo comenzó en 1891 y realizó seis 'aeródromos', como los llamó, utilizando como pista de lanzamiento la cubierta de un barco. El 6 de Mayo de 1896 propulsado por un pequeño motor de vapor logró el primer vuelo de una máquina 'más ligera que el aire', con Graham Bell como testigo.
Tras los descubrimientos de estos soñadores no cabía esperar mucho para la definitiva conquista del aire por el hombre.
http://www.aero.upm.es/es/alumnos/historia_aviacion/main.html
http://es.wikipedia.org
Aportes propios.
Continuara…..