¿Por qué los aviones más antiguos tienen un ala en la parte superior e inferior del avión?

Principalmente para la fuerza. Hasta alrededor de 1920, las alas usaban superficies aerodinámicas muy delgadas y estaban hechas principalmente de tela estirada sobre un marco de madera. El larguero principal era demasiado delgado y habría sido propenso a doblarse si hubiera tenido que soportar todo el peso de la aeronave en un solo tramo. Solo usando dos alas, la superior como miembro de compresión y la otra como miembro de tensión de una armadura, fue posible la fuerza necesaria.

Comparación del grosor del perfil aerodinámico por DR Kirk, Florida Institute of Technology ( fuente de la imagen )

En su foto, puede ver los cables que van desde el ala superior (cerca de los puntales exteriores) hasta donde el ala inferior se une al fuselaje. Estos cables soportan la mayor parte de la tensión durante el vuelo, distribuyendo la carga sobre las alas. Es el mismo principio que el uso de triángulos en la construcción de torres de alta tensión o puentes.

Los monoplanos de esa época necesitaban aún más refuerzos de alambre. Mire la imagen de una réplica del Etrich Taube , un avión muy popular del período anterior a la Primera Guerra Mundial.

Etrich Taube en vuelo. Tenga en cuenta la armadura debajo del ala y los muchos cables que la mantienen en forma ( fuente de la imagen ).

La envergadura más corta de un biplano también reduce la carga en las alas. Los biplanos tienden a tener mucha sustentación (para su tamaño) debido a la gran área del ala, pero también mucha resistencia, por lo que son bastante ineficientes en general. También había triplanos, con tres aviones principales para una sustentación aún mayor en la misma envergadura. Los pilotos de la Primera Guerra Mundial exigieron la mayor velocidad de balanceo, que se podía lograr mejor con biplanos.

En el tiempo entre las Guerras Mundiales, el uso de aluminio de alta resistencia para aviones y el fuselaje monocasco permitieron que los fuselajes se hicieran más fuertes. Esto significó que los diseños de monoplanos se volvieron más prácticos, aunque los aviadores mayores no creían que un monoplano pudiera ser lo suficientemente fuerte. Tan pronto como los monoplanos fueron prácticos, las mejoras en la eficiencia y el rendimiento de vuelo los vieron reemplazar a los biplanos y triplanos.

En los primeros días, realmente parecía que la gente no había averiguado qué funcionaba mejor

^{Horatio Frederick Phillips, 1904 Multiplano. Vuelo más largo 50 pies (15 metros) Gianni Caproni, Ca.60. 1921. Se estrelló en el segundo vuelo.}

Una estructura de vigas de caja arriostradas con alambre probablemente puede proporcionar una mayor resistencia y rigidez que una viga de madera única y mucho más larga.

Una ventaja de las alas múltiples es que puedes tener alas más cortas y esto puede mejorar la maniobrabilidad en combate.

^{Triplano Fokker. 1917}

Tal vez una mejor pregunta es ¿por qué la gente optó por solo dos alas cuando podrían haber tenido veinte?

La principal razón para tener múltiples alas en los primeros años de la aviación fue la falta de disponibilidad de materiales con suficiente resistencia.

La principal ventaja del biplano es que las alas pueden ser más cortas para un vuelo dado. Durante las etapas iniciales de la aviación, los materiales disponibles para la fabricación de aeronaves eran madera, tela dopada, etc. Los miembros estructurales hechos de estos no tenían suficiente resistencia, lo que limitaba el tamaño del ala.

Los primeros aviones también tenían motores menos potentes, lo que resultaba en una velocidad más baja. En este caso, la menor velocidad de pérdida de los biplanos resultó ventajosa.

Los biplanos tenían muy buena maniobrabilidad (mejor velocidad de balanceo) en comparación con los monoplanos. Esta es la razón por la que se desarrollaron los triplanos durante la WWWI.

^{" SopTri3 " por http://www.earlyaviator.com/archive/a/images/tripe_peggy.jpg . Con licencia de dominio público a través de Commons .} Sin embargo, con la llegada de mejores materiales como las aleaciones de aluminio, las desventajas aerodinámicas de los biplanos se hicieron evidentes y los monoplanos se convirtieron rápidamente en la opción de diseño preferida.

A medida que mejoró la resistencia del material, las relaciones de aspecto se hicieron cada vez más grandes, y las aeronaves civiles enfrentan limitaciones operativas (aeroportuarias) en lugar de limitaciones de resistencia en la longitud del ala.

Sin embargo, los biplanos todavía se utilizan. La mejor maniobrabilidad y la baja velocidad de pérdida los convierten en aviones acrobáticos populares.

En realidad, había bastantes monoplanos incluso en los primeros días:

1909: Bleriot XI cruza el Canal de la Mancha
1910: El Fokker Spider vuela alrededor de la torre de la iglesia de Haarlem. El joven Anthony tiene 20 años.

1912: Deperdussin Monocoque, el primer diseño con un fuselaje de piel estresada.
1913: Morane-Saulnier H.

1915: Junkers J1
1915: Fokker E II: Max Immelmann

1915: Fokker E III
1918: Junkers D.1

1919: Junkers F-13
1921: Fokker F.III

1924: Fokker F.VII
1926: Trimotor Ford

1933: Boeing 247
1934: DC-2

Todas las imágenes de Wikipedia

A pesar de que algunos de los primeros aviones se diseñaron con alas en voladizo que no necesitaban soportes de alambre, todavía había una serie de razones por las que el diseño de biplano de armadura de alambre se mantuvo en uso durante mucho tiempo. Como cualquier nueva tecnología, el desarrollo lleva tiempo. Los diseños del diseñador de Fokker Reinhold Platz durante la Primera Guerra Mundial son un gran ejemplo. Su ala gruesa, los largueros de caja eran un diseño sólido, pero el pegamento no era necesariamente muy fuerte y / o la mano de obra calificada para el ensamblaje era deficiente, lo que creaba problemas y muertes. La madera no es el problema. El abeto de alta calidad en realidad tiene aproximadamente la misma relación resistencia-peso que el aluminio de los aviones, aunque el AL es más isométrico, la madera demostró ser digna de la construcción de aviones cuando se usa correctamente. Cuando fallaron los mástiles de caja Fokker, se corrió la voz rápidamente, y generó miedo y odio por parte de los pilotos a quienes les gustaba saber que sus alas no se doblarían. A los pilotos no les disgustaban los biplanos y querían "lo que sabemos que ya funciona". El triplano tenía vigas de caja y eran verdaderas alas en voladizo sin tirantes ni puntales, pero los pilotos se alejaron de él con gran miedo y se negaron a volarlo. Entonces, Platz agregó los puntales entre aviones para unir las tres alas en los extremos simplemente por la impresión que causó en los pilotos. Sin embargo, se eliminaron los cables. El monoplano Fokker D8 tenía un verdadero ala en voladizo que también tuvo algunos problemas de calidad al principio que, por supuesto, generalmente terminan en una muerte, y a los pilotos no les gustó eso. Los monoplanos con cable no tenían ventajas, alta resistencia, menor sustentación y más débiles que los biplanos. A los pilotos, pasajeros e inversores les gustaban los biplanos. Los diseñadores finalmente demostraron su conocimiento a los pilotos y al público, pero como cualquier otra cosa, hay un enorme elemento psicológico: un miedo no del todo inválido que ralentizó el progreso. Los militares son los peores para aceptar nuevas ideas, con un largo historial de aceptar solo las probadas y verdaderas, sin ningún deseo real de poner a los pilotos en riesgos innecesarios. Además, los biplanos tenían dos claras ventajas, sustentación adecuada con una envergadura más corta, además de la alta velocidad de balanceo asociada, y la fuerza era, y es, muy buena, de hecho, eran difíciles de superar.

La fuerza estructural no fue la razón principal de los primeros biplanos. Otto Lilenthal hizo sus experimentos con planeadores en una estructura similar a un monoplano. Los hermanos Wright estaban siguiendo su investigación pero querían crear un vuelo propulsado. El primer motor no tenía suficiente potencia. Un biplano podría generar más sustentación a menor velocidad. Un monoplano no podría. Esa fue la razón principal para elegir un diseño de biplano.

No es que la madera y la tela no fueran materiales 'suficientemente fuertes' para construir monoplanos y alas más largas. (Eso es un plural, por cierto. No necesita una 's' al final que cada vez más personas usan hoy en día). Peter Kampf llama la atención con razón sobre la estructura de fuselaje monocasco de madera altamente avanzada del Deperdussin de 1912 y una mirada a los planeadores de madera de alas largas del Wasserkuppe un poco más de una década después de la Primera Guerra Mundial muestra cuán errónea es la idea. Las dos características ya mencionadas regían el diseño y la estructura del avión de alas múltiples: perfiles aerodinámicos delgados utilizados en los primeros aviones (el conocimiento de la física del perfil aerodinámico también era, comprensiblemente, bastante escaso en ese momento) y la conveniencia de una alta velocidad de balanceo. Siempre descritas como "endebles" por los periodistas, estas máquinas de la Primera Guerra Mundial eran todo lo contrario.