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Manual del Vuelo a Vela
Wolf Hirth
1942
El vuelo
por Heinz Kensche
1�
Secci�n
Aire y resistencia del aire
Para poder
explicar las circunstancias del vuelo es preciso tratar primeramente de las propiedades
del medio en el que el vuelo tiene efecto, es decir, de las propiedades del aire.
La capa de aire que envuelve a la Tierra tiene un espesor
de unos 250 km. Est� compuesta, como ya se sabe, de ox�geno, nitr�geno y peque�as
cantidades de otros gases (V�ase tambi�n el capitulo � Meteorolog�a para pilotos de
velero �). A causa
de la acci�n de la gravedad de la Tierra, el aire superior se apoya sobre el aire de las
capas inferiores y �ste, a su vez, sobre la superficie terrestre. Una columna de aire
normal a esa superficie de un cm.2 de secci�n y de la altura
de la atm�sfera ejerce sobre su base, en las circunstancias de temperatura y estado del
tiempo normales, una presi�n de 1,033 kg., valor num�rico que se llama presi�n
atmosf�rica y que se mide en mm. de mercurio o en altura de H2O, es decir,
est� en equilibrio con la columna de aire una altura de agua de 10,33 m. Cerca del suelo
el aire pesa en condiciones normales a raz�n de 1,25 kg. por m.3, valor que se
llama peso espec�fico o densidad del aire. Solamente para completar estas ideas
preliminares se citar�n aqu� los hechos conocidos de que el aire, como los dem�s gases,
es compresible y sigue las leyes de Boyle-Mariotte y de Gay-Lussac cuando var�an su
temperatura y su presi�n, como asimismo var�a entonces su densidad y que, por fin, al
aumentar la altura la presi�n disminuye seg�n la curva barom�trica. En esencia, resulta
de estas propiedades que el aire es un cuerpo que tiene peso, dotado de masa y que, por lo
tanto, cuando est� en reposo, ejerce una cierta acci�n sobre su base de apoyo.
La teor�a del aire en reposo, cuyos rasgos generales se
han citado, es lo que se llama aerost�tica.
 Fig. 9. Polar de un ala
La
aerodin�mica es la teor�a del aire en movimiento y algunas de sus leyes se explicar�n
aqu�, por ser necesarias para la buena comprensi�n de los fen�menos que han de
analizarse. Se puede decir que el fundador de la aerodin�mica tal como se entiende hoy
fue Otto Lilienthal, el primer hombre que consigui� volar. Prescindiendo de las
primitivas investigaciones de Leonardo da Vinci y de Berblinger, el � sastre de Ulm �,
cuyas investigaciones eran m�s bien de car�cter cient�fico, puede decirse que
Lilienthal fue el primero que busc� la explicaci�n cient�fica del vuelo pr�ctico y que
desarroll� su teor�a aerodin�mica de un modo sistem�tico, experimentando con una
instalaci�n ideada por �l, el aer�dromo circular, la sustentaci�n y la resistencia del
aire de superficies m�viles en �l. Por medio de la comparaci�n descubri�, por ejemplo,
la superioridad de las superficies arqueadas respecto a las planas, en lo concerniente a
obtener sustentaci�n. �l invent� tambi�n el procedimiento de representar los
coeficientes aerodin�micos de un perfil de ala por medio del diagrama polar, cuyo modo de
representaci�n, en esencia, se ha conservado hasta hoy (fig. 9).
Caracter�sticas de vuelo
El
elemento m�s esencial del avi�n es el ala, cuya forma y modo de construcci�n son
decisivos para las caracter�sticas de un avi�n. La historia de la evoluci�n de la forma
del ala est� �ntimamente ligada con la del progreso en los conocimientos sobre
aerodin�mica. Los primeros ensayos aerodin�micos dieron por resultado que la mayor
sustentaci�n y la m�nima resistencia se consiguen con un ala del menor espesor posible y
de perfil curvo, y, de consiguiente, los primeros aviones ten�an alas arqueadas de
perfiles delgados, las cuales para llegar a tener la suficiente resistencia se dispon�an
atirantadas y arriostradas entre s� y con el fuselaje, modo de construcci�n que, con el
empleo de perfiles delgados, se sostuvo hasta los tiempos de la guerra mundial
(1914-1918). Estos elementos de atirantamiento, como riostras, hilos y los muchos nudos de
empalme que para ellos eran necesarios y que no pod�an ser utilizados directamente en
producir sustentaci�n, produc�an en cambio mucha resistencia perjudicial, de manera que
se perdieron las buenas caracter�sticas de las alas.
Se trat�, pues, de limitar todo lo posible el empleo de
elementos que dieran lugar a resistencia perjudicial, y el profesor Junkers fue el primero
en darse cuenta de que se hab�a de seguir otro camino en la construcci�n de aviones.
Reconoci� que el empleo de perfiles de ala gruesos ofrec�a muchas ventajas, pues
permit�a ocultar dentro del ala muchos elementos de la construcci�n que s�lo produc�an
resistencia perjudicial. El aumento de resistencia que el perfil grueso del ala pudiera
producir se compensaba de sobra con la supresi�n de cables y riostras, y de este modo
naci� en el curso mismo de la guerra el ala volada.
Un camino an�logo de evoluci�n siguieron otros elementos
constructivos del avi�n, y basta para ello hacer una comparaci�n entre el fuselaje de
los primeros Bl�riot y Farman, cuya estructura de celos�a iba libremente en la corriente
de aire, dando lugar con ello a gran resistencia al avance, y el fuselaje de un avi�n
moderno cuya lisa superficie ofrece la m�nima superficie posible de ataque al aire
circundante. El que hoy se empleen para la ense�anza del vuelo sin motor aparatos con
fuselaje de celos�a y, por lo tanto, con las caracter�sticas de los primitivos aviones,
no quiere decir que los modernos aparatos no signifiquen un progreso: es que ese m�todo
de ense�anza, con todas las circunstancias que son su consecuencia, se emplea
sencillamente por la raz�n de su econom�a; a lo que se a�ade el que en los aparatos de
escuela no se desean caracter�sticas demasiado buenas (buen �ngulo de planeo), porque un
�ngulo de planeo demasiado bueno trae como consecuencia demasiada atenci�n en el alumno
para dominar la t�cnica del aterrizaje, especialmente cuando ha de hacerlo en sitio
prefijado.
Para poder comprender la evoluci�n de los aparatos de
vuelo sin motor es necesario que antes nos ocupemos algo de la aerodin�mica y, en primer
lugar, de la teor�a de la sustentaci�n del ala, propiamente dicha. Como ya se dijo al
principio, la aerodin�mica dispone de un excelente medio para leer directamente los
coeficientes de un perfil, y ese medio es el diagrama polar de Lilienthal. Los
coeficientes, Ca (de sustentaci�n) y Cw (de
resistencia al avance) en uni�n de la presi�n del aire y una magnitud conocida del ala,
el �rea de la superficie de sustentaci�n, permiten calcular inmediatamente la
sustentaci�n y la resistencia al avance de un ala bajo un determinado �ngulo de ataque.
Se tiene:
A = Ca . q . F
es decir:
sustentaci�n igual al coeficiente por la presi�n y por la superficie.
W =
Cw . q .
F
o sea:
resistencia igual al coeficiente respectivo por la presi�n por la superficie. Si se
observa atentamente el diagrama, se ve que se puede hallar, con cualquier �ngulo de
ataque del ala, su coeficiente de planeo dividiendo el coeficiente de resistencia por el
de sustentaci�n. Es decir, coeficiente de planeo, tg
. j = Cw / Ca.
En el diagrama polar se ve, adem�s de la l�nea m�s gruesa, otra segunda m�s fina,
y para com�prender la significaci�n de esta curva hay que saber que la resistencia de un
ala se compone de dos partes: la resistencia inducida y la resistencia del perfil. Ludwig
Prandtl, director del Instituto Aerodin�mico de Gotinga, ha hecho ver la existencia e
importancia de la resistencia inducida de un ala y la ha explicado completamente en su
teor�a del ala sustentadora (Teor�a del ala de envergadura finita), y puesto que esta
teor�a es de gran importancia en la evoluci�n del velero, la expondremos aqu�, aunque
s�lo sea brevemente.
Si un ala es soplada por una corriente de aire o, lo que
es igual, el ala se mueve respecto a un aire en reposo, se produce una sustentaci�n que
depende de su secci�n transversal y del �ngulo de ataque. La corriente de aire que
produce la sustentaci�n del ala se puede imaginar descompuesta en una corriente
irrotacional estacionaria y una corriente de circulaci�n superpuesta a la primera. La
adici�n de las dos corrientes que deben suponerse separadas por el perfil del ala, una
sobre la cara dorsal y otra en la cara inferior del ala, da lugar a velocidades que
respecto a la velocidad media primitiva representan, la primera una aceleraci�n y la
segunda un retardo en el movimiento de las part�culas de aire y a consecuencia de ello se
originan en la cara superior una aspiraci�n din�mica y en la cara inferior una
sobrepresi�n de igual origen. La circulaci�n existente alrededor del perfil del ala no
cesa bruscamente en los m�rgenes de �sta, sino que se prolonga algo m�s all�, siendo
desviada hacia atr�s en ambos m�rgenes por la acci�n del viento relativo de la marcha.
Los torbellinos desprendidos de este modo constituyen los llamados torbellinos marginales
y son los que unidos a la circulaci�n imaginada en el ala, forman el llamado torbellino
en herradura, a causa de su forma. Seg�n ense�an las leyes de la aerodin�mica, una
formaci�n de torbellino equivale a una resistencia y la que, en la cuesti�n de que se
trata, nace a consecuencia de los torbellinos desprendidos en los m�rgenes del ala se
llama resistencia marginal o resistencia inducida. La circulaci�n citada antes, que da
lugar a la sustentaci�n, no est� repartida uniformemente a lo largo de toda la
envergadura, sino que, a consecuencia de la corriente que se forma en los m�rgenes debida
a la diferencia de presi�n entre las caras superior e inferior del ala, se establece una
circulaci�n hacia el exterior de cada semiala que equivale a una disminuci�n de la
sustentaci�n. Resulta as� que la repartici�n de la sustentaci�n en alas de planta
rectangular, trapecial o el�ptica se asemeja m�s o menos a una semielipse. Ludwig
Prandtl ha reconocido el hecho de que la energ�a cin�tica de las masas descendentes, que
equivale a una p�rdida, es igual al trabajo por segundo de la resistencia inducida, y
apoy�ndose en estas deducciones y en la suposici�n de una repartici�n de la
sustentaci�n exactamente el�ptica, ha establecido el valor del coeficiente de
re�sistencia inducida igual a:
Cwi = (Ca2 / p ) . (F / b2)
De este
valor se deduce que la resistencia inducida crece con el cuadrado de la sustentaci�n y
disminuye con el cuadrado de la envergadura, vi�ndose as� que una buena caracter�stica
exige una gran envergadura.
El valor F / b2, o
simplificando, t / b es el
inverso del alargamiento o esbeltez del ala. La forma de la dependencia entre la
resistencia inducida y la sustentaci�n que es de car�cter cuadr�tico hace que la curva
fina del diagrama polar antes citada sea una par�bola. Se ve, por otra parte, que esta
curva es siempre muy pendiente y tanto m�s cuanto la relaci�n t / b sea
m�s peque�a, o, lo que es igual, mayor el alargamiento. De todo lo dicho se deduce con
toda claridad la conveniencia de que un ala de velero tenga un buen alargamiento. En los
aviones ordinarios con motor el alargamiento no tiene importancia tan grande, porque
disponi�ndose de la gran potencia del motor y por la gran velocidad de vuelo que se
quiere obtener, el vuelo es posible aun con peque�os coeficientes de sustentaci�n, y,
dada la dependencia cuadr�tica citada entre la resistencia inducida y la sustentaci�n,
la primera se mantiene dentro de limites restringidos y adem�s su contribuci�n a la
resistencia total, dadas las dem�s circunstancias, es peque�a.
En el vuelo a vela, en el que se tiene por objetivo
conseguir una peque�a velocidad de descenso con gran coeficiente de sustentaci�n, es de
mucha importancia conseguir una disminuci�n de la resistencia inducida mediante el
aumento consiguiente de envergadura, puesto que esa resistencia constituye la mayor parte
de la resistencia total.
La resistencia del perfil, que es la parte comprendida en
el diagrama entre la par�bola de la resistencia inducida y la polar, se compone de la
resistencia de forma y de otra de fricci�n, la cual depende de la fricci�n interna o
viscosidad del aire y es producida por la formaci�n de la llamada capa superficial,
constituida por una delgada pel�cula de fluido adherida al cuerpo.
Num�ricamente, la resistencia de forma representa la
parte menor de la resistencia del ala; por lo tanto, en la construcci�n de veleros no es
esencial la cuesti�n de elecci�n de perfil, desde el punto de vista de la resistencia,
ya que se atiende a otras circunstancias para conseguir las buenas caracter�sticas
deseadas, de las cuales se hablar� despu�s. Es m�s importante, en la construcci�n de
aparatos, atender a la resistencia de fricci�n, que debe reducirse haciendo que la capa
superficial sea de espesor m�nimo, y asimismo a la resistencia inducida, disminuy�ndola
lo posible por un buen alargamiento. Naturalmente que el alargamiento no puede escogerse a
voluntad haci�ndole indefinidamente grande, puesto que a partir de un cierto l�mite
resulta inadmisible el peso del avi�n, a consecuencia de la gran envergadura necesaria,
de modo que por este camino se llegar�a a velocidades de descenso ya de gran valor, que
dar�an lugar a que las caracter�sticas no fueran las convenientes, a pesar del buen
coeficiente de planeo. Lo mejor es tratar de llegar a una resistencia inducida lo menor
posible, despu�s de fijado el alargamiento, atendiendo tambi�n a que la distribuci�n de
sustentaci�n, a lo largo del ala, siga dentro de la ley el�ptica mientras se mantenga el
�ngulo de ataque en los l�mites normales de vuelo, lo cual es posible, seg�n han
demostrado por el c�lculo Glauert, Birnbaum, Lotz, y especialmente Lippisch; pero veremos
tambi�n que para conseguir ese resultado se debe renunciar a otras exigencias de
importancia.
Para hacer ver con m�s claridad la importancia de la
resistencia inducida se recordar� lo siguiente: los coeficientes aerodin�micos de un
perfil de ala se obtienen en los ensayos hechos en el t�nel de un Instituto
aerodin�mico, de los que el m�s importante es el del establecimiento de Gotinga, el cual
ha publicado los resultados de las mediciones de perfiles en los � cuadernos de Gotinga
�, n�meros 1 a 4, los cuales ser�n seguramente conocidos de gran parte de los lectores.
Los modelos de alas ensayados en el t�nel aerodin�mico de Gotinga tienen siempre el
alargamiento de 5 : 1 y en los diagramas resultantes de los ensayos aparecen las polares
con la par�bola de resistencia inducida a base de ese alargamiento. Si los diagramas
citados se transforman, para casos de mejores alargamientos, empleando la f�rmula dada
para la resistencia inducida, se ver� que las nuevas par�bolas halladas son mucho m�s
pendientes, lo que quiere decir que, con los grandes valores de los coeficientes de
sustentaci�n con los que principalmente se vuela en velero, la resistencia total del ala
se ha hecho m�s peque�a.
Para completar lo expuesto y para extender lo dicho a
otras publicaciones que contienen diagramas de perfiles, conviene decir que en otros
Institutos, y naturalmente con arreglo a la instalaci�n y dimensiones de los t�neles de
que disponen, pueden hacerse los ensayos con otros alargamientos y obtener los diagramas
polares para esos otros valores (Hay que advertir que en el texto original, en lugar del
alargamiento, figura el inverso de su valor, pero en Espa�a se acostumbra a razonar sobre
el alargamiento. Lo mismo puede decirse sobre los coeficientes aerodin�micos, que se
emplean los m�tricos, en funci�n, no de la presi�n del aire, sino del cuadrado de la
velocidad; pero los resultados son iguales en cuanto a su influencia en el vuelo; estos
coeficientes m�tricos se usan tambi�n en Francia y en Inglaterra, y en los Estados
Unidos se usan los llamados absolutos. - N. del T.). Por ejemplo, los americanos
hacen los ensayos sobre alas de envergadura finita ; pero luego transforman los resultados
para ala ilimitada o envergadura infinita, prescindiendo as� de la par�bola de
resistencia inducida, representando s�lo el diagrama la resistencia del perfil (Lo mismo
se hace en Espa�a. Conviene decir que, como se ve en la figura 9, la par�bola inducida
es casi paralela a la polar, principalmente en los peque�os �ngulos de ataque: si se
transporta hacia la derecha tal par�bola hasta que coincida con la polar en el punto que
corta al eje horizontal, se ve que casi toda la par�bola coincide con la polar y s�lo en
los �ngulos de ataque grandes se separa de ella: la distancia horizontal entre ambas
curvas as� situadas representa la resistencia de forma del perfil y la parte constante
del intervalo entre ambas curvas, en su posici�n normal, es decir, lo que se traslad� la
primera hacia la derecha, representa el valor de la parte de resistencia debida a la
fricci�n. - N. del T.). Este m�todo conviene para poder comparar las propiedades
dependientes s�lo del perfil y para simplificar la transformaci�n de la polar al caso
del alargamiento fijado en el proyecto de un avi�n. Lo expuesto es s�lo un resumen de
los fen�menos que ocurren, hecho con objeto de facilitar al lector que no tenga
preparaci�n suficiente la comprensi�n de las explicaciones que siguen (Se encontrar�
una explicaci�n m�s completa y exacta sobre los fundamentos te�ricos expuestos, en la
literatura siguiente: 1. Cuadernos de Gotinga 1 a 4; 2. Fundamentos del vuelo, de
Pfister y Porger, cuadernos 4 y 5 de la serie Volckmann. En espa�ol, en la obra El hombre
vuela Editorial Labor. - N. del T.).
 Todav�a hay que decir algo m�s
sobre el diagrama polar, haciendo ver la importancia de la segunda curva del diagrama en
la zona de los �ngulos de ataque normales.
Fig. 10. Distribuci�n de fuerzas con relaci�n
a la profundidad del ala, en el caso de un �ngulo de ataque pr�ximo al de la m�xima
sustentaci�n
La
fuerza de sustentaci�n que act�a sobre el ala se puede imaginar formada, en el caso de
�ngulos de ataque positivos, por los 2/3 de su valor como consecuencia de aspiraci�n
sobre la cara dorsal del ala y el 1/3 restante, como sobrepresi�n en la cara inferior,
aunque para lo que sigue es indiferente que se trate de efectos de aspiraci�n o de
sobrepresi�n. Imaginamos, desde luego, el perfil proyectado sobre su cuerda y que las
fuerzas act�an concentradas, con su valor total sobre esta proyecci�n. Entonces se ve,
figura 10, que las fuerzas son notablemente mayores hacia el lado del borde de ataque que
hacia el borde de salida. Si se suponen  compuestas todas estas fuerzas en una resultante, �sta deber�
pasar por el centro de gravedad de la superficie de
distribuci�n de fuerzas, puesto que debe tener, respecto a cualquier punto de la
profundidad del perfil, el mismo momento que la totalidad de las fuerzas parciales; el
punto en cuesti�n, por donde pasa esa resultante, se llama centro de presiones. Para
comprender la expresi�n frecuentemente empleada de que � el centro de presiones se
desplaza �, hay que decir que la posici�n del mismo es diferente para cada �ngulo de
ataque (fig. 11), y as� se ve que la presi�n hacia el borde anterior del perfil es tanto
mayor, respecto a la presi�n en la zona del borde salida, cuanto mayor es el �ngulo de
ataque.
Fig. 11. Variaci�n de la dis�tribuci�n de
presiones en los diferentes �ngulos de ataque
Se ve que
en el �ngulo de ataque en que la sustentaci�n se anula, las presiones en la zona del
borde de ataque son hasta negativas, es decir, la sustentaci�n total es nula, pues se
destruyen las reacciones del aire positivas de la zona posterior con las negativas de la
anterior, pero ambas resultantes parciales dan lugar a un momento. Este resultado se
expresa matem�ticamente diciendo que la resultante total est� aplicada a distancia
infinita, y para los valores negativos, que a partir de esa posici�n empieza a tomar,
sigue, fuera del perfil, a distancias muy grandes hacia la regi�n anterior.
Fig.
12. Variaci�n de posici�n del centro de presiones cuando var�a el �ngulo de ataque
En la
figura 12 est� representada gr�ficamente la variaci�n de posici�n del centro de
presiones, vi�ndose que dentro de la zona normal de vuelo, al crecer el �ngulo de
ataque, el centro de presiones avanza y al disminuir ese �ngulo el citado centro
retrocede, lo que tendr� consecuencias sobre la estabilidad. Los perfiles con estas
propiedades, que son los m�s empleados en la construcci�n de veleros, se llaman �
inestables �. Si se supone el perfil capaz de girar alrededor de un punto, que puede ser
el de aplicaci�n de la sustentaci�n en su valor normal, donde en general est� tambi�n
el centro de gravedad del avi�n, resulta que las variaciones del �ngulo de ataque dan
lugar a nuevas posiciones de la reacci�n del aire, que obran aumentando esa variaci�n en
el mismo sentido: si, por ejemplo, aumenta el �ngulo de ataque, el centro de presiones
avanza y la reacci�n del aire tiene un momento respecto a la posici�n anterior, bajo la
cual debe estar el centro de gravedad, aument�ndose m�s todav�a, por su efecto, el
�ngulo de ataque.
Si el �ngulo de ataque disminuye, el centro de presiones
retrocede y la reacci�n del aire tiene un momento que disminuye aun m�s ese �ngulo. De
las figuras anteriores se deduce que la reacci�n del aire tiene un momento respecto al
borde de ataque, por ejemplo, cuyo valor puede expresarse por:
M
= A . s
M = Ca . q
. F . s
Poniendo
de manifiesto, en el segundo miembro, el valor de t, se puede escribir:
M = Ca . q .
F .
t . (s / t)
Los
valores s y Ca que dependen del �ngulo de ataque, se
pueden agrupar, juntamente con el valor t de la profundidad del ala supuesto
constante, dando lugar al coeficiente Cm
de valor:
Cm
= Ca . (s
/ t)
Con lo que
el momento vale, por �ltimo:
M = Cm . q . F . t
El
coeficiente Cm se llama
coeficiente de momento y se lleva al diagrama en l�nea de trazos.
El c�lculo del momento con ayuda del coeficiente de ese
nombre tiene el objeto, como f�cilmente se comprende, de poder calcular tambi�n el valor
del momento en la posici�n de sustentaci�n nula, que es, como se deduce de la polar, el
que corresponde al punto en donde corta la curva de momentos a la ordenada de la abscisa
de sustentaci�n nula.
La magnitud de la variaci�n de posici�n del centro de
presiones de un perfil puede deducirse de la curva de los valores de Cm o curva de momentos, dibujada en el diagrama, vi�ndose que la
pendiente de esta curva, es decir, la variaci�n del valor de Cm en
relaci�n con los valores de Ca es aproximadamente la misma en todos los perfiles. La
influencia de la curva de momentos sobre los desplazamientos del centro de presiones
resulta as� dependiente s�lo de su posici�n respecto a la de sustentaci�n nula, y un
an�lisis m�s detenido hace ver que esos desplazamientos son tanto mayores cuanto mayor
sea el valor de Cm en
el referido punto de valor nulo de la sustentaci�n o, con otras palabras: el
desplazamiento del centro de presiones, para igual variaci�n del coeficiente de
sustentaci�n, es tanto mayor cuanto mayor sea el valor de Cm0 designando de este modo el valor de Cm para
la sustentaci�n nula, y ese desplazamiento es tanto menor cuanto menor sea Cm0. Si
la curva de momentos pasa por el origen de coordenadas, o sea si es Cm0
= 0,
el centro de presiones no se mueve, sino que permanece en la misma posici�n, y en este
caso se dice que el perfil es un � perfil de centro de presiones fijo �. Si la curva de
momentos pasa a la izquierda del centro de coordenadas, o sea el valor de Cm0 es
negativo, otra vez se mueve el centro de presiones, pero esta vez en sentido contrario:
con �ngulos de ataque crecientes retrocede, y con �ngulos decrecientes avanza; en este
caso se dice que el perfil es � estable por s� mismo �, es decir, si el perfil tiene
tendencia a aumentar el �ngulo de ataque, esta tendencia es contrarrestada por el
retroceso de la reacci�n del aire que trata de volver el perfil a su posici�n anterior.
Con esto queda bien patente la importancia de ambas curvas
del diagrama en la zona de los valores normales del coeficiente de sustentaci�n.
Si se sigue el curso de la curva llena Ca hasta
los grandes valores del �ngulo de ataque, se ve que a partir de un cierto valor del
coeficiente de sustentaci�n se presenta un gran aumento del coeficiente de resistencia al
avance, hasta que la curva llega al m�ximo de Ca, a partir del cual, siguiendo el crecimiento del �ngulo de
ataque, la sustentaci�n disminuye.
La significaci�n de esta propiedad es la siguiente: La
corriente de aire que se lanza sobre el perfil y le rodea es desviada; como ya se ha
explicado antes, a lo largo de la superficie del perfil y lanzada hacia abajo, de modo que
cuanto m�s inclinado se ponga el perfil respecto a la direcci�n de la corriente de aire,
m�s en�rgica es la desviaci�n que debe sufrir en la cara superior del perfil. La
sobrepresi�n en la cara inferior va haci�ndose cada vez mayor, hasta que alcanza un
valor con el que la corriente empieza a desprenderse de la cara dorsal del ala, y de tal
modo, que en la mayor parte de los perfiles empleados en el vuelo a vela el
desprendimiento empieza cerca del borde de salida. Este desprendimiento de la corriente da
lugar a una disminuci�n r�pida de la sustentaci�n y a un aumento de la resistencia al
avance. En general, la dislocaci�n de la corriente empieza antes de llegar al m�ximo del
coeficiente de sustentaci�n, es decir, el aumento de �ste, a consecuencia del
crecimiento del �ngulo de ataque, predomina sobre la disminuci�n producida por la
dislocaci�n de la corriente y, por lo tanto, el m�ximo citado corresponder� al �ngulo
de ataque para el que el aumento dicho sea igual a la disminuci�n por la dislocaci�n de
la corriente. El punto de la cara dorsal del ala en el que la corriente la abandona y se
disloca en torbellinos va avanzando hacia el borde de ataque, a medida que crece el
�ngulo de este nombre, hasta que la corriente llega a dislocarse en todo el dorso del
perfil.
Para los �ngulos de ataque negativos, la polar tiene una
forma parecida, siendo los fen�menos, en el caso de sustentaci�n negativa, an�logos a
los explicados al llegar a grandes �ngulos de ataque positivos: la corriente permanece
adherida a la cara inferior del perfil, hasta que a consecuencia de la curvatura del borde
de ataque la corriente se disloca bruscamente en toda la superficie inferior del perfil y
da lugar a la disminuci�n r�pida de la sustentaci�n negativa y aumento de la
resistencia al avance.
No se detallan m�s los fen�menos que ocurren con los
grandes �ngulos de ataque, tanto positivos como negativos, porque esta zona es de menor
inter�s para los pilotos de velero, y el que desee informarse m�s sobre el particular
puede ver los folletos de Gotinga citados.
A continuaci�n se ver� la influencia de las formas de la
polar de distintos perfiles sobre las propiedades del vuelo y sus caracter�sticas.
Los perfiles de que hasta aqu� se ha hablado como usados
corrientemente son perfiles en los que la relaci�n del espesor a la profundidad es 0,15 y
en los que el esqueleto es de forma de arco de c�rculo y las formas son redondeadas,
especialmente en el borde de ataque.
Es f�cil ver que los perfiles delgados tienen menor
resistencia al avance que los gruesos y que el coeficiente de esa resistencia depende,
adem�s del espesor, de la curvatura del perfil: perfiles de gran curvatura tienen mayor
coeficiente de resistencia que los de peque�a curvatura o planos, es decir, los llamados
perfiles sim�tricos, entendi�ndose por curvatura del perfil la de su eje o l�nea media
(Fig. 13), es decir, el esqueleto del perfil. Por consiguiente, los perfiles sim�tricos
delgados tienen menor resistencia al avance que los gruesos y arqueados; sin embargo, la
elecci�n del perfil no se hace teniendo en cuenta solamente el coeficiente de
resistencia.
Los perfiles curvos son preferidos, generalmente, a los
sim�tricos en la construcci�n de veleros, puesto que son mejores en cuanto al
coeficiente de sustentaci�n. Este coeficiente tiene, en perfiles sim�tricos, el valor Ca
max = 1,1 para los gruesos y el valor Ca
max = 0,9 en los delgados, mientras que en los
perfiles gruesos y curvos el valor de Ca es: Ca
max = 1,6. La
importancia de que sea grande el valor del coeficiente Ca se pone de manifiesto resolviendo la ecuaci�n de la
sustentaci�n, respecto a la velocidad de descenso de un avi�n.
Como la sustentaci�n A debe ser igual al peso G,
se puede establecer:
G
= Ca .
(r / 2) . v2
. F
y si se
supone r / 2 con el valor correspondiente a la densidad del aire en el
suelo = 1 / 16, resulta:
(La f�rmula anterior resulta de poner en vez de la presi�n q
del aire, su valor en funci�n de la densidad y la velocidad del mismo, teniendo en cuenta
la forma de Ca empleada en
Alemania y tomando para densidad b�sica del aire, junto al suelo, o sea al nivel del mar
y a 15�, el valor 1/8. - N. del T.).
La velocidad de descenso es
igual a la de avance multiplicada por el coeficiente de planeo, tg j
= Cw
/ Ca,
valiendo
W = v
(Cw / Ca)
en donde, poniendo el valor
anterior, resulta:
o bien:
(La inversa de la fracci�n
Cw / Ca1,5
o sea la fracci�n Ca1,5
/ Cw se llama � cualidad
sustentadora � del ala, cuyo m�ximo corresponde al vuelo con el menor gasto posible de
potencia. - N. del T.).
As� se ve que la velocidad de
descenso es tanto menor cuanto mayor es el coeficiente de sustentaci�n con el que se
pueda realizar el vuelo, puesto que esa velocidad es inversamente proporcional a la
potencia 3/2 de Ca. Por otro lado, se ve tambi�n que la
velocidad de descenso crece con el valor de Cw pero esta influencia no es tan
grande que pueda modificar sensiblemente el valor de w, por lo que son preferidos los perfiles
curvos y gruesos a los sim�tricos y delgados, con lo que se ver� que esta preferencia ha
influido en gran proporci�n sobre el progreso de los veleros.
Fig.
13. L�neas de referencia y de dimensi�n de un perfil
Todav�a hay que examinar otras
influencias del perfil sobre la forma de la polar. Se ha visto que el espesor y la
curvatura de un perfil influyen sobre el m�ximo de la sustentaci�n, ocurriendo lo mismo
en la regi�n de la polar correspondiente a los valores negativos de ese coeficiente, es
decir: cuanto m�s grueso es un perfil mayor es el m�ximo negativo de la sustentaci�n y, por el contrario: cuanto mayor es la
curvatura, menor es ese m�ximo negativo, que en la zona positiva resultaba aumentado.
 La forma del borde de ataque, o
nariz del perfil, influye de modo esencial sobre la forma de la polar en la proximidad de
los valores m�ximo y m�nimo de la sustentaci�n.
Fig.
14. Dislocaci�n de la corriente a�rea en un perfil con borde de ataque agudo
Con
perfiles de curvatura regularmente proporcionada del borde de ataque la corriente a�rea
no se disloca poco a poco al acercarse al m�ximo de la sustentaci�n, con un avance
progresivo del punto en el que empieza a desprenderse de la cara dorsal del ala, sino que
la corriente permanece adherida a la superficie superior, hasta alcanzar el m�ximo de
sustentaci�n para dislocarse bruscamente en toda la superficie al llegar a un valor
cr�tico del �ngulo de ataque, fen�meno que da lugar a un brusco descenso de la
sustentaci�n y un consiguiente aumento de la resistencia al avance. La polar en este
punto presenta un punto anguloso (fig. 14).
Si ahora se consideran polares de diferentes perfiles, se
observa que los perfiles con borde de ataque agudo o, mejor, los perfiles delgados, que
tienen peque�o el radio de curvatura de su nariz, presentan en mayor o menor proporci�n
la caracter�stica citada de brusco descenso de la sustentaci�n al alcanzarse el m�ximo
de sustentaci�n. Estos perfiles hay que emplearlos en el vuelo a vela con mucho cuidado,
puesto que en ese caso se vuela siempre cerca del m�ximo de sustentaci�n, y ocurre que
el fen�meno de la dislocaci�n de la corriente a�rea es inestable, es decir: al crecer
el �ngulo de ataque permanece la corriente mucho tiempo adherida al ala, para dislocarse
bruscamente, y despu�s, al disminuir ese �ngulo, se verifica tambi�n, bruscamente, la
adherencia de la corriente al ala, pero con un �ngulo de ataque inferior al que, al
crecer, dio lugar a la dislocaci�n de la corriente.
Tales perfiles pueden influir desfavorablemente sobre las
propiedades de la barrena, pues pueden hacer que, al llevar la palanca adelante para
recuperar, haya que esperar mucho tiempo antes de que la corriente se adhiera de nuevo al
ala. Las mismas propiedades presentan los perfiles con borde de ataque agudo y,
naturalmente, tambi�n en la zona de sustentaci�n negativa. Ahora estudiaremos la
influencia de la forma del perfil sobre el coeficiente de momentos y sobre la posici�n
del centro de presiones, empezando por decir que, como ya se ha visto, los perfiles
sim�tricos tienen fijo el centro de presiones. El grueso del perfil no ejerce influencia
sobre el momento y la posici�n del centro de presiones, y s�lo la forma del eje del
mismo es la que influye sobre esas caracter�sticas, pudiendo decirse que, en general, el
coeficiente de momentos y, de consiguiente, los desplazamientos del centro de presiones
son tanto mayores cuanto mayor es la curvatura del perfil; adem�s, tambi�n influye sobre
la magnitud del coeficiente de momentos la posici�n de la flecha del perfil (fig. 15) y,
precisamente, esa magnitud es tanto mayor, para igual valor de la flecha, cuanto m�s
cerca est� esa flecha del borde de salida.
Fig. 15. Posici�n del centro de presiones en
diferentes perfiles
Arriba: Perfil sim�trico. Posici�n del centro de presiones
en el punto a 25 % de la profundidad del ala. (Centro de presiones fijo.)
Centro: Perfil curvo.
Posici�n del centro de presiones, aproximadamente
al 36 % de la profundidad del ala. (centro de presiones variable.)
Abajo: Perfil en S. Posici�n del centro de presiones, aproxima�damente al 25 % de la profundidad del
ala. Perfil de Centro de presiones casi fijo.
Especialmente,
la forma del eje del perfil en la zona del borde de salida tiene gran influencia sobre las
propiedades del perfil, en cuanto a los momentos, y conocidos son los perfiles llamados en
S, es decir con la zona posterior curvada hacia arriba, en los que los desplazamientos del
centro de presiones son muy peque�os. Un perfil, aunque tenga curvatura positiva muy
pronunciada, puede hacerse que tenga fijo el centro de presiones, dando a la zona
posterior una curvatura inversa. Este efecto estabilizador de los perfiles con borde de
salida levantado es f�cil de explicar si se reflexiona en que la reacci�n del aire en la
zona posterior es negativa, aunque, naturalmente, sea positiva la resultante total. Se
a�adir� a�n lo siguiente sobre la posici�n del centro de presiones: es opini�n
corriente entre los alumnos de las escuelas de pilotaje que el centro de presiones est�
situado al 33 % de la profundidad del ala, y esto s�lo es cierto para un determinado
perfil medio, vi�ndose en la figura 15 las tres formas caracter�sticas de perfiles, con
la repartici�n aproximada de presiones, en el caso normal de coeficiente de sustentaci�n
Ca = 1,0 y la posici�n
que en cada uno de ellos tiene el centro de presiones.
Los perfiles citados como estables tienen, en general, una
curvatura total negativa o bien, teniendo una d�bil curvatura positiva, terminan con una
fuerte elevaci�n de la zona de salida.
Con lo dicho se considera que se ha expuesto lo m�s
esencial de las propiedades de los perfiles y de las curvas polares, pero para completar
las ideas se estima necesario decir que las propiedades de los perfiles y de las curvas
polares, pero para completar las
ideas se estima necesario decir que las propiedades del perfil pueden representarse de
otro modo en funci�n  directa
del �ngulo de ataque (fig. 16) (Este
diagrama, en el que cada curva representa los valores de un coeficiente en dependencia del
�ngulo de ataque, se llama diagrama de � gr�ficos separados �.- N. del T.).
Fig. 16. Gr�ficos
de los coeficientes Ca, Cw, y Cm en funci�n del �ngulo de ataque
En este diagrama se ve que el curso de las curvas de los
coeficientes de sustentaci�n y de momentos es en gran parte rectil�neo, siendo posible
la determinaci�n directa, por el c�lculo, de la regi�n recta, seg�n lo han hecho
Birnbaum y Glauert empleando la teor�a de los torbellinos y partiendo de una forma dada
de perfil, como tambi�n se puede determinar aproximadamente por el c�lculo la curva de
valores de Cw ; lo que no
es posible calcular es las zonas curvas que corresponden a los per�odos de dislocaci�n
de la corriente a�rea, tanto en la cara superior como en la inferior del perfil.
En la historia de la evoluci�n del vuelo a vela
desempe�a importante papel la cuesti�n de la elecci�n de perfiles apropiados. En primer
lugar, cabe decir que la construcci�n de veleros de concurso empez� a tomar incremento
notable por el tiempo en que se llevaron a cabo los primeros vuelos de horas de duraci�n
de Martens y Hentzen en el a�o 1922, y el � Vampyr �, que por entonces apareci�,
construido por los profesores Madelung y Pr�ll, fue el primer velero de concurso que dio
ya las directrices para la realizaci�n de la mayor parte de los veleros que luego se
construyeron y volaron con gran �xito. Las exigencias que entonces se ten�an para las
caracter�sticas, de poder alcanzar la mayor altura de vuelo posible con apoyo orogr�fico
y la mayor duraci�n posible, estaban condicionadas al empleo de perfiles de ala gruesos y
curvos, que eran los que pod�an proporcionar la m�s peque�a velocidad de descenso
posible. Luego vino la evoluci�n del vuelo a vela hacia los vuelos de distancia, lo cual
hizo que los constructores se apartasen de esta finalidad de una extrema peque�ez de la
velocidad de descenso, porque este modo de construir conduc�a necesariamente a aparatos
que volaban demasiado lentamente.
La t�cnica moderna del vuelo de distancia indica que con
las circunstancias de tiempo en que normalmente se realizan esos vuelos, con objeto de
alcanzar grandes recorridos en el tiempo de que se puede disponer para llevarlos a cabo,
aprovechando s�lo las ascendencias t�rmicas, los elementos decisivos resultan ser el
coeficiente de planeo y la velocidad de avance del aparato. Atendiendo a esto, era
preciso, entre otras cosas, el empleo de perfiles m�s delgados y de menor curvatura, y
como estos perfiles tienen, como se ha visto, menor el m�ximo del coeficiente de
sustentaci�n es preciso admitir mayor velocidad de descenso y entonces estos veleros, en
el caso de d�biles ascendencias, resultar�n inferiores a los de menor velocidad de
descenso, aunque tengan peor el coeficiente de planeo y sean m�s lentos. Por lo tanto, el
aparato ideal ser� el que tenga velocidad de descenso peque�a, pero tambi�n buen
coeficiente de planeo y gran velocidad de avance. Los esfuerzos de los constructores
actuales se dirigen hacia la obtenci�n de esas caracter�sticas. Se quiere volar de modo
que en una ascendencia el vuelo sea lento y con peque�a velocidad de descenso; en un aire
neutral, desde el punto de vista de movimientos verticales, se vuele con buen coeficiente
de planeo y, en una descendencia, el vuelo sea con gran velocidad de avance, siendo
todav�a admisible la velocidad de descenso y bueno el coeficiente. de planeo.
Estas condiciones han sido estudiadas por Lippisch para
llevarlas a la  pr�ctica de la
construcci�n y, a este efecto, las ha representado en la llamada polar de velocidades
(figura 17), que es el medio que, en la actualidad, permite hacer mejor la comparaci�n de
caracter�sticas de veleros.
Fig. 17.
Polar de velocidades
En ese
diagrama se tiene la velocidad de descenso en funci�n de la velocidad de vuelo y, de �l,
se puede determinar f�cilmente, por el cociente de ambas velocidades, el valor del
coeficiente de planeo. Se ve, pues, que el mejor avi�n ser� aquel que, tanto con
peque�a como con grande velocidad de vuelo, tenga menor velocidad de descenso que otro,
es decir, que su curva sea lo m�s tendida posible. El diagrama permite adem�s determinar
la velocidad de vuelo correspondiente a cada velocidad de ascendencia o descendencia del
aire para obtener el mejor �ngulo de planeo respecto al terreno. La regi�n de las
velocidades, en las cuales el velero tenga buena velocidad de descenso, se llama
abreviadamente intervalo de velocidad y, por tanto, puede decirse que un avi�n tiene
caracter�sticas tanto mejores cuanto mayor sea su intervalo de velocidad.
Con lo explicado se ha esclarecido, en sus grandes rasgos,
la influencia del perfil de ala sobre las caracter�sticas de un velero. Naturalmente,
tambi�n hay que atender en la evoluci�n del velero a la influencia del fuselaje y de los
�rganos de mando, y a este respecto los antiguos veleros, generalmente con fuselaje de
secci�n poligonal y que ten�an especiales ventajas, en cuanto a construcci�n, eran
inferiores a los veleros con fuselaje de formas redondeadas u ovoides. Claro es que no hay
que decir que la reducci�n de la secci�n transversal del fuselaje habr�a de influir
sobre las condiciones de comodidad del piloto. Se vio pronto que era preciso estudiar la
influencia sobre la resistencia al avance de todos los elementos del avi�n que resultaban
expuestos a la corriente de aire, y as� se dedic� especial atenci�n a la forma
aerodin�mica del empalme de los �rganos de mando con el fuselaje; igualmente los
empalmes de los montantes y riostras al ala y al fuselaje, de lo que no se puede
prescindir por razones de resistencia, se hicieron tambi�n con revestidos aerodin�micos.
La uni�n de las alas al fuselaje merece especial atenci�n, y en este aspecto se debe
decir que los tipos de monoplano de ala alta y ala baja que primitivamente se usaron han
sido sustituidos en la actualidad por el monoplano de ala media, en el que, saliendo las
alas normalmente de los costados del fuselaje, se presta a conseguir un empalme
aerodin�mico de resistencia perjudicial mucho menor.
Adem�s de las formas aerodin�micas, desempe�a
importante papel en la cuesti�n de caracter�sticas de un velero el peso que resulta,
seg�n la clase de construcci�n empleada. De la f�rmula que se ha dado a conocer para el
valor de la velocidad de descenso se deduce que esa velocidad disminuye con la ra�z
cuadrada de la carga por unidad superficial, es decir con el peso en vuelo. Hemos visto
que se pueden mejorar las caracter�sticas de un velero mejorando el alargamiento, o sea
aumentando la envergadura y eligiendo un perfil de poco espesor. Pero es claro que
empleando estos recursos, si se quiere mantener la resistencia en un grado conveniente,
hay que aumentar el peso de la construcci�n; mas conviene observar que como actualmente
para juzgar de las caracter�sticas de un velero la cuesti�n decisiva no es ya s�lo la
menor velocidad de descenso posible, queda, para el constructor, una posibilidad de
encontrar el equilibrio �ptimo entre las buenas condiciones aerodin�micas y un peso
aceptable de construcci�n.
La exigencia de reducir lo m�s posible la resistencia perjudicial ha conducido a
construir aviones de los llamados sin cola, en los cuales se ha hecho mucho menor la
resistencia de fuselaje y �rganos de mando, habi�ndose llegado por este camino hasta
poner el piloto en el ala misma y construir el tipo de ala voladora. Sin embargo, tales
construcciones han presentado hasta aqu� en sus propiedades de vuelo dificultades
importantes, que no han podido superarse pr�cticamente para obtener buenas
caracter�sticas de vuelo. En todo caso, este g�nero de aparatos ofrece perspectivas a
los constructores para poder conseguir �xitos de resonancia.
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