Aeronáutica
Aeronáutica es la ciencia o el arte relacionado con el estudio, diseño y fabricación de máquinas capaces de volar en el aire, y las técnicas para operar aviones y cohetes dentro de la atmósfera. La Royal Aeronautical Society británica identifica los aspectos del "arte, ciencia e ingeniería aeronáuticos" y "La profesión de la Aeronáutica (cuya expresión incluye la Astronáutica)."
Si bien el término originalmente se refería únicamente a operar la aeronave, desde entonces se ha ampliado para incluir tecnología, negocios y otros aspectos relacionados con la aeronave. El término "aviación" a veces se usa indistintamente con aeronáutica, aunque "aeronáutica" incluye naves más ligeras que el aire, como aeronaves, e incluye vehículos balísticos, mientras que la "aviación" técnicamente no lo hace.
Una parte importante de la ciencia aeronáutica es una rama de la dinámica llamada aerodinámica, que se ocupa del movimiento del aire y la forma en que interactúa con los objetos en movimiento, como un avión.
Historia
Primeras ideas
Los intentos de volar sin ningún conocimiento aeronáutico real se han hecho desde los primeros tiempos, por lo general mediante la construcción de alas y saltando desde una torre con resultados paralizantes o letales.
Los investigadores más sabios buscaron obtener una comprensión racional a través del estudio del vuelo de las aves. Científicos de la Edad de Oro islámica medieval como Abbas ibn Firnas también realizaron tales estudios. Los fundadores de la aeronáutica moderna, Leonardo da Vinci en el Renacimiento y Cayley en 1799, ambos comenzaron sus investigaciones con estudios sobre el vuelo de las aves.
Se cree que las cometas que transportaban hombres se usaban mucho en la antigua China. En 1282 el explorador italiano Marco Polo describió las técnicas chinas entonces vigentes. Los chinos también construyeron pequeños globos aerostáticos o linternas y juguetes de alas giratorias.
Uno de los primeros europeos que proporcionó cualquier discusión científica sobre el vuelo fue Roger Bacon, quien describió los principios de funcionamiento del globo más ligero que el aire y el ornitóptero de alas batientes, que imaginó que se construirían en el futuro. El medio de elevación de su globo sería un "éter" cuya composición desconocía.
A fines del siglo XV, Leonardo da Vinci continuó su estudio de las aves con diseños para algunas de las primeras máquinas voladoras, incluido el ornitóptero de alas batientes y el helicóptero de alas giratorias. Aunque sus diseños eran racionales, no se basaban en una ciencia particularmente buena. Muchos de sus diseños, como un helicóptero tipo tornillo para cuatro personas, tienen fallas graves. Al menos entendió que 'un objeto ofrece tanta resistencia al aire como el aire al objeto'. (Newton no publicaría la Tercera ley del movimiento hasta 1687). Su análisis lo llevó a darse cuenta de que la mano de obra por sí sola no era suficiente para un vuelo sostenido, y sus diseños posteriores incluyeron una fuente de energía mecánica como un resorte. El trabajo de Da Vinci se perdió después de su muerte y no reapareció hasta que fue superado por el trabajo de George Cayley.
Vuelo en globo
La era moderna de los vuelos más ligeros que el aire comenzó a principios del siglo XVII con los experimentos de Galileo en los que demostró que el aire tiene peso. Alrededor de 1650, Cyrano de Bergerac escribió algunas novelas de fantasía en las que describía el principio de ascender utilizando una sustancia (rocío) que suponía más ligera que el aire, y descender liberando una cantidad controlada de dicha sustancia. Francesco Lana de Terzi midió la presión del aire a nivel del mar y en 1670 propuso el primer medio de elevación científicamente fiable en forma de esferas metálicas huecas de las que se había bombeado todo el aire. Estos serían más ligeros que el aire desplazado y capaces de levantar una aeronave. Sus métodos propuestos para controlar la altura todavía se utilizan en la actualidad; transportando lastre que puede arrojarse por la borda para ganar altura, y ventilando los contenedores de elevación para perder altura. En la práctica, las esferas de De Terzi se habrían colapsado bajo la presión del aire, y los desarrollos posteriores tuvieron que esperar a gases de elevación más practicables.
Desde mediados del siglo XVIII, los hermanos Montgolfier en Francia comenzaron a experimentar con globos. Sus globos estaban hechos de papel, y los primeros experimentos que usaban vapor como gas de elevación duraron poco debido a su efecto sobre el papel a medida que se condensaba. Confundiendo el humo con una especie de vapor, comenzaron a llenar sus globos con aire caliente lleno de humo al que llamaron "humo eléctrico" y, a pesar de no comprender completamente los principios en funcionamiento, hizo algunos lanzamientos exitosos y en 1783 fue invitado a dar una demostración a la Académie des Sciences francesa.
Mientras tanto, el descubrimiento del hidrógeno llevó a Joseph Black en c. 1780 a proponer su uso como un gas de elevación, aunque la demostración práctica esperaba un material de globo hermético al gas. Al oír hablar de los hermanos Montgolfier' invitación, el miembro de la Academia Francesa Jacques Charles ofreció una demostración similar de un globo de hidrógeno. Charles y dos artesanos, los hermanos Robert, desarrollaron un material hermético al gas de seda recubierta de goma para el sobre. El hidrógeno gaseoso se generaría por reacción química durante el proceso de llenado.
Los diseños de Montgolfier tenían varias deficiencias, entre ellas la necesidad de un clima seco y la tendencia a que las chispas del fuego incendiaran el globo de papel. El diseño tripulado tenía una galería alrededor de la base del globo en lugar de la cesta colgante del primer diseño no tripulado, que acercaba el papel al fuego. En su vuelo libre, De Rozier y d'Arlandes llevaron cubos de agua y esponjas para apagar estos incendios a medida que surgían. Por otro lado, el diseño tripulado de Charles era esencialmente moderno. Como resultado de estas hazañas, el globo de aire caliente se conoció como el tipo Montgolfière y el globo de hidrógeno como Charlière.
Charles y los hermanos Robert' El siguiente globo, La Caroline, fue un Charlière que siguió las propuestas de Jean Baptiste Meusnier para un globo dirigible alargado, y se destacó por tener una envoltura exterior con el gas contenido en un segundo globo interior.. El 19 de septiembre de 1784, completó el primer vuelo de más de 100 km, entre París y Beuvry, a pesar de que los dispositivos de propulsión accionados por el hombre resultaron inútiles.
En un intento al año siguiente de proporcionar tanto resistencia como capacidad de control, de Rozier desarrolló un globo con bolsas de aire caliente y gas hidrógeno, un diseño que pronto recibió su nombre como Rozière. El principio era utilizar la sección de hidrógeno para una sustentación constante y navegar verticalmente calentando y permitiendo que se enfriara la sección de aire caliente, para captar el viento más favorable a cualquier altitud que soplara. El sobre del globo estaba hecho de piel de goldbeater. El primer vuelo terminó en desastre y desde entonces rara vez se ha utilizado la aproximación.
Cayley y los cimientos de la aeronáutica moderna
Sir George Cayley (1773–1857) es ampliamente reconocido como el fundador de la aeronáutica moderna. Primero fue llamado el "padre del avión" en 1846 y Henson lo llamó el "padre de la navegación aérea". Fue el primer verdadero investigador aéreo científico en publicar su trabajo, que incluía por primera vez los principios subyacentes y las fuerzas del vuelo.
En 1809, comenzó la publicación de un tratado histórico en tres partes titulado "Sobre la navegación aérea" (1809-1810). En él escribió la primera declaración científica del problema, "Todo el problema está confinado dentro de estos límites, a saber. hacer que una superficie soporte un peso determinado mediante la aplicación de potencia a la resistencia del aire." Identificó los cuatro vectores de fuerzas que influyen en una aeronave: empuje, levantamiento, arrastre y peso y distinguió la estabilidad y control en sus diseños.
Desarrolló la forma convencional moderna del avión de ala fija que tiene una cola estabilizadora con superficies tanto horizontales como verticales, volando planeadores tanto tripulados como no tripulados.
Introdujo el uso del banco de pruebas de brazo giratorio para investigar la aerodinámica del vuelo, usándolo para descubrir los beneficios del perfil aerodinámico curvo o combado sobre el ala plana que había usado para su primer planeador. También identificó y describió la importancia del diedro, el arriostramiento diagonal y la reducción de la resistencia, y contribuyó a la comprensión y el diseño de ornitópteros y paracaídas.
Otro invento importante fue la rueda de radios tensados, que ideó para crear una rueda ligera y resistente para el tren de aterrizaje de los aviones.
El siglo XIX
Durante el siglo XIX, las ideas de Cayley se refinaron, probaron y ampliaron, y culminaron con las obras de Otto Lilienthal.
Lilienthal fue un ingeniero y hombre de negocios alemán conocido como el 'hombre volador'. Fue la primera persona en realizar vuelos bien documentados, repetidos y exitosos con planeadores, por lo que la idea de "más pesado que el aire" una realidad. Los periódicos y revistas publicaron fotografías de Lilienthal deslizándose, lo que influyó favorablemente en la opinión pública y científica sobre la posibilidad de que las máquinas voladoras se vuelvan prácticas.
Su trabajo lo llevó a desarrollar el concepto del ala moderna. Sus intentos de vuelo en el año 1891 se consideran el comienzo del vuelo humano y el "Lilienthal Normalsegelapparat" se considera el primer avión en producción en serie, lo que convierte a la Maschinenfabrik Otto Lilienthal en la primera empresa de producción de aviones en el mundo.
A menudo se hace referencia a Otto Lilienthal como el "padre de la aviación" o "padre del vuelo".
Otros investigadores importantes incluyeron a Horatio Phillips.
Sucursales
La aeronáutica se puede dividir en tres ramas principales que comprenden la aviación, la ciencia aeronáutica y la ingeniería aeronáutica.
Aviación
La aviación es el arte o la práctica de la aeronáutica. Históricamente, la aviación significaba solo vuelos más pesados que el aire, pero hoy en día incluye volar en globos y aeronaves.
Ingeniería aeronáutica
La ingeniería aeronáutica cubre el diseño y la construcción de aeronaves, incluido cómo se accionan, cómo se utilizan y cómo se controlan para una operación segura.
Una parte importante de la ingeniería aeronáutica es la aerodinámica, la ciencia de pasar por el aire.
Con la creciente actividad en los vuelos espaciales, hoy en día la aeronáutica y la astronáutica a menudo se combinan como ingeniería aeroespacial.
Aerodinámica
La ciencia de la aerodinámica se ocupa del movimiento del aire y la forma en que interactúa con los objetos en movimiento, como un avión.
El estudio de la aerodinámica se divide en términos generales en tres áreas:
Flujo incompresible ocurre cuando el aire simplemente se mueve para evitar objetos, generalmente a velocidades subsónicas por debajo de la del sonido (Mach 1).
Flujo comprimible se produce cuando aparecen ondas de choque en puntos donde el aire se comprime, normalmente a velocidades superiores a Mach 1.
El flujo transónico ocurre en el rango de velocidad intermedia alrededor de Mach 1, donde el flujo de aire sobre un objeto puede ser localmente subsónico en un punto y localmente supersónico en otro.
Cohetería
Un cohete o vehículo cohete es un misil, una nave espacial, un avión u otro vehículo que recibe empuje de un motor cohete. En todos los cohetes, el escape se forma enteramente a partir de propulsores transportados dentro del cohete antes de su uso. Los motores cohete funcionan por acción y reacción. Los motores de cohetes empujan los cohetes hacia adelante simplemente lanzando sus gases de escape hacia atrás extremadamente rápido.
Los cohetes para usos militares y recreativos se remontan al menos a la China del siglo XIII. No se produjo un uso científico, interplanetario e industrial significativo hasta el siglo XX, cuando los cohetes eran la tecnología habilitadora de la era espacial, incluida la puesta de un pie en la luna.
Los cohetes se utilizan para fuegos artificiales, armamento, asientos eyectables, vehículos de lanzamiento de satélites artificiales, vuelos espaciales tripulados y exploración de otros planetas. Si bien son comparativamente ineficientes para el uso a baja velocidad, son muy livianos y potentes, capaces de generar grandes aceleraciones y alcanzar velocidades extremadamente altas con una eficiencia razonable.
Los cohetes químicos son el tipo de cohete más común y, por lo general, generan sus gases de escape mediante la combustión del propulsor del cohete. Los cohetes químicos almacenan una gran cantidad de energía en una forma que se libera fácilmente y pueden ser muy peligrosos. Sin embargo, el diseño, las pruebas, la construcción y el uso cuidadosos minimizan los riesgos.