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Club de Planeadores Los Caranchos

Aeródromo:  Ruta Provincial C-45  -  ALTA GRACIA  -  Departamento Santa María  -  Provincia de Córdoba  - República Argentina


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Teoría de Vuelo para Pilotos de Planeador

Stafford Allen

Capítulo I ] Capítulo II ] Capítulo III ] [ Capítulo IV ] Capítulo V ] Capítulo VI ] Capítulo VII ] Capítulo VIIIa ] Capítulo VIIIb ] Capítulo IX ] Capítulo X ]

Capítulo IV

EL ALA EN EL PLANEADOR

 

VUELO NIVELADO (equilibrio)

Ahora permítasenos volver nuestra atención a un planeador completo. El instructor de vuelo nos habrá mostrado los tres controles básicos del planeador y cómo operan, de tal manera que no necesitamos entrar aquí en grandes detalles, pero hay uno o dos términos que usaremos, los cuales requiere una pequeña explicación.

Los pedales controlan el movimiento de la máquina hacia los costados. Si presionamos el pedal derecho la nariz del planeador se dirige a la derecho y viceversa. Los alerones controlan el movimiento de la máquina sobre su eje longitudinal, el cual se denomina rolido. Si llevamos la palanca hacia la derecha la máquina rola hacia la derecha. El timón de profundidad controla el ascenso o descenso de la máquina. Llevamos la palanca hacia adelante y la máquina pica, es decir, baja la nariz.

 Un planeador rota sobre su eje vertical. Efectúa un rolido sobre su eje longitudinal y pica o cabrea sobre su eje trasversal. Estos ejes deben ser considerados como tres líneas imaginarias que se encuentran a ángulos rectos entre sí y que pasan a través del centro de gravedad de nuestro velero, donde se balancearían si la máquina se apoyara en un punto. Hablamos, por supuesto, de un planeador completo, con su piloto.

Figura 6

 En primer lugar tomemos una situación ideal. La figura 6 muestra un planeador que vuela a su ángulo óptimo de planeo. El peso W actúa verticalmente hacia abajo, a través del centro de gravedad; la sustentación L actúa a ángulos rectos con respecto al desplazamiento del aire o trayectoria de vuelo, y la resistencia D actúa en forma paralela al sentido del vuelo. Adviértase, por favor, que desde que en un planeador no podemos mantener indefinidamente un desplazamiento horizontal nivelado, el vuelo debe tener cierto ángulo de caída. Llamamos a este ángulo mínimo, ángulo óptimo de planeo. Esto significa que la sustentación no se ejerce verticalmente hacia arriba y que la resistencia no es en sentido horizontal.

El planeador vuela a una velocidad constante en línea recta por lo cual todas las fuerzas que actúan sobre el mismo deben estar exactamente equilibradas en todas direcciones. No deberá haber ningún desequilibrio, en ninguna dirección. Esto nos lleva a la desagradable conclusión de que la sustentación es ligeramente menor que el peso, debido a que la resistencia está actuando ligeramente hacia arriba. En la práctica es una diferencia tan pequeña que la podemos despreciar y considerar que sustentación es igual a peso, pero debemos reconsiderar esto cuando se trata de situaciones de vuelo distintas a la de mejor ángulo de planeo.

Hay otra condición que debe ser satisfecha si el planeador ha de permanecer en equilibrio. Es la de que todas las fuerzas actuando al mismo tiempo no deben producir un momento de cabeceo que tienda a hacer elevar o bajar la nariz. En la figura 6 las fuerzas han sido cuidadosamente dibujadas de tal manera que todas ellas se encuentran en un punto y no hay momento de cabeceo. Esto es engañoso y por eso hemos hablado de una situación ideal. Si la sustentación actúa por delante del CG la nariz tenderá a subir y viceversa. Esta situación ideal raramente se logra en la práctica, y si no se logra debemos procurar una fuerza que equilibre la situación -hacia arriba o hacia abajo- la cual debe ser provista por las superficies de cola. Vale la pena tratar de llegar lo más cerca posible del ideal porque la provisión de una fuerza de equilibrio en la cola involucra alguna resistencia extra y toda resistencia es algo que debernos tratar de evitar. Sin embargo, desde que el Centro de gravedad del planeador variará con los distintos pilotos, y el centro de presión -el lugar donde actúa la sustentación- también se mueve, resulta claro que no es fácil asegurar que pueda lograrse una situación ideal. Desde un punto de vista práctico es preferible que la sustentación se halle ligeramente por detrás del centro de gravedad, ya que un planeador con tendencia a bajar la nariz es mucho más seguro que otro que tienda a cabrear y entrar en pérdida a la menor oportunidad.

 Ahora se advierte que en el vuelo recto común lo que deseamos del ala es una sustentación aproximadamente igual al peso del planeador. Ya hemos hablado de todo aquello que afecta la sustentación de un ala. La únicas dos cosas sobre las cuales tenemos algún control son la velocidad y el ángulo de ataque. Pero la sustentación que necesitamos en el vuelo recto es constante. Por lo tanto, si la velocidad aumenta y la sustentación tiende a incrementarse, es necesario disminuir el ángulo de ataque para mantener la sustentación constante. De manera similar, si disminuimos la velocidad el ángulo de ataque debe incrementarse. El piloto del planeador muy a menudo no sabe nada sobre ángulos de ataque. Simplemente ubica la nariz de la máquina en la posición correcta con su timón de profundidad para lograr la velocidad que desea. Sin embargo, está seleccionando un ángulo de ataque con su timón de profundidad. Luego, el planeador adopta una velocidad correspondiente a un ángulo de ataque. Hemos visto antes que un perfil alar determinado siempre entra en pérdida a un determinado ángulo de ataque. Ahora, desde que hay una velocidad para cada ángulo de ataque en vuelo recto y nivelado, hay una velocidad a la cual el ángulo de ataque ha llegado al ángulo de pérdida. Esto es lo que se llama velocidad de pérdida y es la velocidad mínima a que puede volar un planeador. A velocidad menor el ala no está en condiciones de producir suficiente sustentación para equilibrar el peso y el planeador comenzará a caer. Adviértase que si se reduce el peso -por ejemplo, instalando un piloto más liviano-, el ángulo de pérdida tendrá lugar a una velocidad menor que la anterior y la velocidad de pérdida es menor. Con un piloto más pesado la velocidad de pérdida es más elevada.

Esta variación en el peso no es muy grande en la mayoría de los planeadores (excepto en el caso de lastre de agua); sin embargo puede ser apreciable en el caso de un biplaza, el cual puede ser volado con dos personas o con una sola. No obstante, tendemos a considerar la velocidad de pérdida de un planeador en particular como una velocidad fija. Esto depende del tipo de planeador, por supuesto, desde que el diseñador puede haberse decidido por un ala muy grande en relación al peso total, es decir, por una baja carga alar. En este caso, debido al ala muy grande llegaremos al ángulo de pérdida a una velocidad muy baja porque hemos visto anteriormente que la sustentación también depende de la superficie alar. Si tenemos un ala pequeña y una gran carga alar, entraremos en pérdida a una velocidad alta por la misma razón. Adviértase, por ejemplo, que en un avión de bombardeo pesadamente cargado su velocidad de pérdida cuando despega puede ser muy diferente de su velocidad de pérdida cuando aterriza, después de haber lanzado unas toneladas de bombas y consumido todo su combustible.

 Lo que debemos recordar es que el perfil alar o el ala entrarán en pérdida cuando el ángulo de ataque exceda el ángulo de pérdida, generalmente alrededor de los 15º, y adviértase nuevamente que este ángulo no tiene nada que ver con la posición hacia arriba, hacia abajo, horizontal o vertical. Para un determinado planeador este ángulo se alcanza en vuelo recto y nivelado a la velocidad de pérdida ordinaria.

VUELO ACELERADO

 No hay por qué alarmarse ante este título. Hemos estado considerando el planeador en vuelo recto y nivelado.  En una palabra, un planeador en equilibrio. Vuelo acelerado significa, simplemente, un vuelo en el cual la velocidad o la dirección del vuelo, o ambas cosas, están cambiando. Solamente eso. Incluye todas las situaciones de vuelo tales como virajes, picadas, aceleraciones y la mayoría de las maniobras acrobáticas. Dejaremos aparte lo relativo a acrobacia por el momento, pero cuando usted comience a volar en viraje en térmicas advertirá que una buena parte de su vida en el aire transcurre en vuelo acelerado.

Tal vez el estado de vuelo en el cual el valor de la velocidad cambia es el más simple, por lo que permítasenos tratar de este caso en primer lugar. Mucha gente que no sabe nada de vuelo a vela mira un planeador y exclama: ¿Pero qué es lo que lo hace moverse? No se dan cuenta de que el planeador no es más que un trineo aéreo y mucha gente puede ver por qué funciona un trineo que se desliza sobre la nieve. Si usted no puede verlo le sugerimos que tome un curso de trineo en lugar de uno de vuelo. Pero ocurre que es tan grande la eficiencia de los actuales diseñadores de planeadores que resulta casi imposible ver que estas máquinas se encuentran realmente volando en una ligera pendiente.

Veamos nuevamente la figura 6 e imaginemos que el piloto del planeador baja levemente la nariz de su máquina. El efecto de esta acción es que las fuerzas de sustentación y resistencia rotan muy ligeramente en sentido contrario al movimiento de las agujas del reloj. W permanece sin modificar, de tal manera que el resultado siguiente es que hay una pequeña fuerza sin equilibrar en alguna dirección, aproximadamente en el sentido del vuelo. Debido a las leyes del movimiento esta fuerza produce una aceleración y entonces la máquina aumenta la velocidad. Continuará aumentando su velocidad hasta que las fuerzas se encuentren en equilibrio nuevamente, y esto tiene lugar cuando la resistencia se incrementa suficientemente. Luego, la máquina se encuentra otra vez en equilibrio volando a una velocidad mayor y a un ángulo de planeo más pronunciado. Exactamente lo contrario tiene lugar si se eleva apenas la nariz. En estos cambios tiene lugar una pequeña variación en el valor de la sustentación desde que la componente vertical de ambos -sustentación y resistencia- deben equilibrar W, y también tiene lugar un pequeño cambio en el ángulo de ataque, debido al cambio de la velocidad. 

No tenemos motor en nuestro aparato, por lo que los cambios de velocidad llevan cierto tiempo, excepto durante la acrobacia. Los cambios de dirección son otra historia.

 Si un planeador está picando a una alta velocidad y sale de la picada para entrar en vuelo nivelado, resulta claro que ha tenido lugar un cambio de dirección del vuelo. De acuerdo a lo que hemos aprendido sobre las leyes del movimiento, se requiere una fuerza no equilibrada en dirección al centro de la curva que describe el planeador. La única forma de obtener esta fuerza es mediante el incremento de la sustentación del ala. Todo lo que hace el piloto es llevar atrás la palanca y elevar la nariz del planeador. Esto tiene el efecto de incrementar el ángulo de ataque con lo que inmediatamente la sustentación se hace mucho mayor. Ahora la sustentación está haciendo dos cosas. Aun se está oponiendo y equilibrando el peso del planeador aunque la resistencia le está ayudando en esta tarea, pero al mismo tiempo la sustentación está proporcionando la fuerza hacia el centro de la curva que describe el planeador. La sustentación en esta etapa del vuelo es mucho mayor que el peso del planeador. Cuánto mayor será ha de depender de la velocidad del planeador y de lo brusco del movimiento de palanca atrás. Los planeadores pueden soportar en esta situación una carga mayor que la que pueden aguantar sus pilotos y como una guía grosera podemos afirmar que muchos pilotos perderán el sentido cuando la sustentación llegue a 4 o 5 veces el peso del velero. Adviértase que, no obstante que la velocidad del planeador es elevada, el ángulo de ataque es muy grande desde que estamos requiriendo una gran cantidad de sustentación del ala. Si se exige demasiada sustentación del ala, el ángulo de ataque puede llegar al ángulo de pérdida y el ala entrará en pérdida.

Aquí puede ayudamos un ejemplo. Tomemos un planeador que entre en pérdida en vuelo normal a 70 Km. por hora. A 140 Km. por hora, si el ángulo de ataque se incrementa hasta llegar al ángulo de pérdida, la sustentación será de: 

1402 / 702 , es decir, 22

o sea cuatro veces lo que era cuando entraba en pérdida a 70 Km. por hora, porque la sustentación varía con el cuadrado de la velocidad. 

Un planeador volando en un viraje constante es en algún sentido distinto. Como antes, requiere una fuerza dirigida hacia dentro del círculo en el cual está volando, pero en este caso el círculo es horizontal, mientras que en el caso de la salida de la picada el círculo era vertical. Si tomamos una curva con un auto, esta fuerza hacia dentro es suplida por la fricción de las gomas sobre el camino. Aun en el caso de un bote, la fuerza interna puede ser suplida por la presión del agua en los costados, porque el bote está sabiamente diseñado para ofrecer la menor resistencia cuando se mueve hacia adelante, pero una gran resistencia al ser desplazado de costado. Esta idea lleva a algunos a imaginar que un planeador puede virar simplemente moviendo los pedales. Si se intenta hacerlo el planeador girará hacia un lado, pero desde que la única fuerza interna que actúa sobre él es la causada por el fuselaje contra el aire, virará muy lentamente. La resistencia es enorme, como puede esperarse y el resultado -si se trata de un planeador- es una gran pérdida de altura o de velocidad, o de ambas.

 Como hemos visto anteriormente, la única fuerza sobre la cual tenemos algún control directo es la sustentación, a la que obligamos a hacer el trabajo por nosotros, inclinando el planeador.

Figura 7

 La figura 7 es un diagrama de la situación en un viraje mediano. W es el peso del planeador, que por lo general actúa verticalmente hacia abajo. L es la sustenta­ción de las alas y, como puede verse, está haciendo dos tareas. Para simplificar esto, hemos dividido la sus­tentación en dos partes L1 y L2. L1 está equilibrando el peso del planeador, mientras que L2 está proporcionando la fuerza interna -o centrípeta- para hacer que el planeador cambie de dirección en forma continua. Las fuerzas no se equilibran horizontalmente porque el planeador está en aceleración (cambio de dirección). Adviértase en particular que la sustentación es mayor que el peso del planeador. Estamos requiriendo más sustentación del ala que la que produciría normalmente a la velocidad a que está volando y la obtenemos llevando atrás la palanca e incrementando el ángulo de ataque. Si exageramos esta operación y requerimos demasiada sustentación el ángulo de ataque puede llegar a igualar el ángulo de pérdida y el planeador entrará en pérdida. Si el planeador está volando lentamente -y por esta razón a un ángulo de ataque pronunciado-, cuando el piloto decide realizar un viraje escarpado, antes de que se incremente mucho el ángulo de ataque habrá llegado al ángulo de pérdida. Esta es la razón por la cual el instructor indica: No intente hacer virajes escarpados a baja velocidad, y por qué la velocidad de pérdida se incrementa más cuanto más escarpado el viraje.

EL EFECTO DE LA VELOCIDAD

En la primera parte de este capítulo, cuando estábamos discutiendo el vuelo nivelado, vimos que un planeador puede volar a distintas velocidades. La velocidad menor a que puede volar es la velocidad de pérdida. La más alta, teóricamente, es su velocidad terminal en una picada vertical, pero en la práctica pocas máquinas son diseñadas para soportar este maltrato y las máximas velocidades a las cuales puede volar un planeador son determinadas por los diseñadores e indicadas en la cabina. Lo que queremos investigar ahora es el efecto de volar un planeador a distintas velocidades.

Figura 8

La figura 8 es más o menos una reproducción de la figura 6, con el agregado de algunos detalles. El planeador está en vuelo recto constante y se encuentra descendiendo en una línea que diremos forma un ángulo q (theta) con el horizonte. Sabemos por nuestras discusiones sobre perfil alar que L y D son realmente dos partes de la fuerza resultante R y que si agregamos L y D juntos, teniendo en cuenta sus direcciones, por supuesto, obtenemos R, la cual equilibra W (el peso), desde que el planeador está en equilibrio. Este agregado es lo que hemos hecho gráficamente y la recta LR es, simplemente, nuestro vieja amiga D, ubicada al final de L. Ahora podemos ver un factor interesante. Desde que L está en ángulo recto respecto a la línea de vuelo y R está en ángulo recto respecto al horizonte, el ángulo entre L y R es el mismo que el que hay entre la línea de vuelo y el horizonte, ángulo al que hemos decidido llamar q. Por lo tanto, la relación L/D es la cotangente de q, para aquellos a quienes gusta la trigonometría. Para quienes no les gusta podemos decir que si el ángulo q es 1 en 10, entonces la sustentación es 10 veces la resistencia. Si e es 1 en 17, entonces la sustentación es 17 veces la resistencia, y así sucesivamente. Ahora se advierte que el ángulo de planeo de nuestro planeador simplemente depende de la relación L/D. Si hacemos L/D más grande, digamos 25, entonces el ángulo de planeo es de 1 en 25, es decir, nuestro planeador volará hacia adelante 25 metros por cada metro de altura que pierde. Esta relación L/D dependerá del perfil alar particular que el diseñador ha establecido para nuestro planeador, pero dependerá también del ángulo de ataque al cual está volando el ala. Si obtenemos la curva de sustentación y la curva de resistencia (figuras 2 y 3) de este perfil particular y dividimos la sustentación a cualquier ángulo de ataque por la resistencia a ese ángulo, y repetimos el proceso para todos los ángulos de ataque, habremos obtenido una curva L/D como se muestra en la figura 9. Para obtener un resultado exacto tenemos que considerar la sustentación de todo el planeador: ala, cola, fuselaje, etc., y la resistencia total cuando se compila esta curva.

 
Figura 9

Lo primero que advertirnos de esta curva es que hay sólo un ángulo de ataque -en este caso alrededor de los 4º- en que obtenemos nuestra máxima relación L/D. En este punto el valor de L/D es de alrededor de 25, por lo que obtendremos una relación de planeo de 1 en 25. Si a es mayor o menor que este valor, entonces nuestro L/D disminuye y nuestro ángulo de planeo empeora. Por ejemplo, para a = 10º, L/D = 20, desde que el ángulo de planeo es de 1 en 20 y también para:

a = 2,5º , L/D = 20, y el ángulo de planeo es 1 en 20.

 En el planeador no hay forma de indicar al piloto cuál es el ángulo de ataque en un momento particular, pero ahora sabemos que si la máquina está en equilibrio, cada ángulo de ataque corresponde a cierta velocidad (supuesto que el peso del planeador es constante). El piloto ha obtenido un instrumento para saber cuál es su velocidad -el velocímetro-, así que en lugar de pensar en términos de ángulo de ataque podemos pensar en términos de velocidad del aire. Sin embargo, hay una velocidad a la cual el ángulo de planeo es máximo y sólo una. Más ligero o más despacio que esta velocidad, el ángulo de planeo se hace más pronunciado.

¿Cuál es el efecto de un cambio de peso del planeador? Un piloto más pesado significará que hará falta más sustentación para equilibrar el peso. Si las características del perfil y la máquina permanecen inalteradas la mejor relación L/D tendrá lugar al mismo ángulo de ataque, pero desde que se requiere más sustentación, este ángulo de ataque corresponderá ahora a una velocidad ligeramente más elevada. Vemos entonces que el mejor ángulo de planeo es el mismo, sólo que se logra a una velocidad del aire ligeramente mayor que en el caso anterior. Con un piloto más liviano ocurre lo inverso.
Cuando el diseñador crea una máquina de gran penetración o con una alta velocidad, debe esforzarse por elegir un perfil alar y una configuración para su máquina que hagan que la curva de la misma sea lo más plana posible en su parte superior y que no descienda repentinamente. Esto significa que hay una variedad de ángulos de ataque en los cuales el ángulo de planeo está muy cerca del mejor. Consecuentemente, el piloto dispone de una amplia gama de velocidades a las cuales puede volar sin tener que recurrir a un ángulo de ataque que no es el óptimo.

Hay otra velocidad importante para cada planeador: la de mínima caída. Esta es la velocidad a la cual la potencia requerida para impulsar un planeador es mínima. Pero se supone que un planeador no tiene una planta de poder. Sí, la tiene. Está utilizando energía durante todo momento; energía aportada por el hecho de que desciende en la dirección en que actúa el peso. Los físicos llaman a esto energía potencial y la energía potencial de un planeador se acaba cuando aterriza. Posee una buena cantidad de energía potencial a 1500 metros de altura y el doble cuando llega a los 3000. La potencia que utiliza el planeador es el régimen de descenso a través del aire. Cuando la potencia es mínima, la caída es mínima. El planeador aun utiliza energía cuando trepa en una térmica, pero en este caso la energía está siendo aportada por la fuerza ascendente del aire en el cual vuela el planeador, por lo que éste tiene una ganancia neta de energía y por esa razón trepa.

Observando la curva de resistencia (Fig. 3) podernos ceder a la tentación de decir que la resistencia es mínima en algún punto cuando a = 0º a 2º. No obstante, aquí la potencia debe ser mínima. Esto es sólo la mitad de la historia porque la potencia es el producto de la resistencia por la velocidad. Cuando a = 0º la velocidad es elevada; cuando a = 15º (velocidad de pérdida), la velocidad es mínima, pero la resistencia muy grande. En algún lugar entre estos dos extremos, resistencia por velocidad es mínima y esa es la velocidad de vuelo para mínimo descenso.

En este libro estamos evitando deliberadamente emplear fórmulas matemáticas tanto como sea posible, por lo que debemos terminar las consideraciones sobre este tema advirtiendo que en muchos planeadores la velocidad de mínimo descenso es algo menor que la velocidad de óptimo planeo. El piloto ha obtenido una indicación directa de su descenso a través de sucesivos ensayos. Sin embargo, vale la pena hacer notar que un incremento del peso significa un incremento de la velocidad de mínimo descenso y viceversa.
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Última modificación: 26 de Febrero de 2006