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A pesar de que gracias a los globos aerostáticos el hombre por fin pudo elevarse por los aires, evidentemente este medio presentaba múltiples inconvenientes como el hecho de que los globos no pueden ser dirigidos a voluntad (los dirigibles no aparecerían hasta 1843), así como su lentitud para desplazarse de un lado a otro. Fue por esas causas que muchas personas se empeñaron en investigar la posibilidad del vuelo por medios mecánicos y no sólo por la vía de la flotación y sentaron las bases necesarias para la realización del vuelo de los hermanos Wright en 1903.
El primero de estos pioneros de la aviación fue Sir George Cayley (1773-1857), un baronet de Yorkshire quién investigó temas tan diversos como el desagüe y la recuperación de tierra, motores de aire caliente, tractores de oruga y los miembros humanos artificiales. Fue miembro del Parlamento inglés y fundador de la Asociación Británica para el Progreso de la Ciencia.
Muchos historiadores lo han llamado "el verdadero inventor del aeroplano", afirmación un tanto exagerada, aunque no tanto si tomamos en cuenta que fue él quien reunió los cimientos para la investigación aeronáutica posterior. Cayley contaba con 10 años de edad cuando ocurrieron los primeros vuelos en globos de aire caliente y de hidrógeno. Dichas hazañas lo maravillaron a tal grado que lo motivaron a pensar en la manera de volar, concentrándose tiempo después en las soluciones mecánicas en detrimento de la flotación en globo. Pensó en el ala no solo en función a la fuerza de sustentación, sino también de la resistencia al avance producida por un cuerpo que se mueve en el aire. Investigó cuál era la superficie de sustentación que sostenía un peso dado en las aves y reconoció que las propiedades de sustentación variaban con el ángulo a que se movía el ala en la masa de aire. Propuso un sistema mecánico de energía motriz, una máquina que denominó "el primer motor". Comprendió que necesariamente tenía que ser liviano y sugirió que podría funcionar "mediante la combustión súbita de polvos o fluidos inflamables": el motor de combustión interna. Además reconoció la necesidad de proporcionar estabilidad y control a las máquinas aéreas.
En 1804, tras años de minuciosa investigación, construyó su primer aparato, un modelo de planeador calificado por algunos historiadores como el primer aeroplano. En los vuelos de prueba resultó muy práctico y cinco años después creó e hizo volar con éxito una máquina no tripulada de tamaño natural cuyas alas tenían unos 19 m2 de superficie. Cayley buscó aplicar energía motriz a su planeador y en éste terreno se adelantó muchísimo a su época. Como la única fuente disponible de energía de la época era la máquina de vapor, la cual era demasiado pesada para volar, estudió otras formas de propulsión sin dar con un sistema lo bastante ligero para el vuelo. Dada esta situación, decidió concentrar su atención a la aerodinámica; descubrió la importancia de dar líneas aerodinámicas a una máquina y esbozó formas que ofrecieran menor resistencia al aire. También estudió las superficies movibles de cola y teorizó acerca del efecto estabilizador del diedro, es decir, de poner las alas en ángulo hacia arriba del fuselaje. Fundamentado en su teoría, Cayley construyó y probó un segundo planeador de gran tamaño. En un vuelo, un muchacho actuó como piloto de pruebas y se dijo que voló "varios metros" desde lo alto de una colina. Cayley experimentó varios años con este planeador o una versión modificada del mismo.
Luego, alrededor de 1853 persuadió a su cochero de que atravesara un pequeño valle en vuelo desde una colina. No se conocen muchos detalles del vuelo, pero parece que su éxito fue moderado. Sin embargo, el cochero no tenía la audaz resolución de los aviadores más recientes y al terminar, asustado se alejó gritando, según la nieta de Cayley: "me contrataron para guiar coches, no para volar".
Al terminar el siglo XIX, el interés por la aeronáutica se avivó, muchos propusieron sus diseños, expusieron sus teorías y realizaron experimentos, pero solo unos cuantos aportaron algo al éxito final del aeroplano.
Entre ellos figuraba William S. Henson (1812-1888), el principal admirador de Cayley, quien en 1842 y usando el trabajo de éste como base, diseñó un enorme "carruaje aéreo de vapor" con el que esperaba llevar "cartas, mercancías y pasajeros de un lugar a otro". El vehículo tenía una envergadura de 46 m y habría de ser impulsado por hélices de 6 aspas que movería una máquina de vapor.
El diseño era muy avanzado para su época, pero tropezó con la misma dificultad que había encontrado Cayley: el peso de la máquina de vapor. El "carruaje aéreo de vapor" no llegó a construirse nunca, sin embargo sentó las bases de lo que 80 años después sería la aviación comercial.
La contribución de Henson se produjo al disminuir su ambición y unirse a un ingeniero llamado John Stringfellow. Ambos construyeron un modelo a escala de 6 m del carruaje de vapor impulsado por una máquina de vapor relativamente liviana y compacta. En la prueba de 1848, el modelo "voló" en cierto sentido, pero la máquina no pudo sostener el vuelo. El modelo sólo podía planear a un ritmo de descenso menor del que hubiera sido posible sin energía motriz. La prueba sin embargo, fue la primera tentativa de aplicar la propulsión mecánica a una máquina de volar.
El siguiente pionero destacado de esta época fue Alphonse Pénaud (1850-1880), quién entró en el escenario aeronáutico en el decenio de 1870. Diseñó un aparato que tenía estabilidad superior; los extremos de las alas en diedro y el plano de su cola sentaron la norma para la mayoría de los aeroplanos del futuro. Su "planoforo" de 50 cms , como llamó a su modelo con una hélice propulsora movida por una banda de goma, voló con éxito en público en 1871.
Pénaud dedicó entonces su atención a la máquina voladora para llevar hombres y diseñó un modelo anfibio avanzadísimo de gran tamaño con muchas de las características de los aviones modernos: hélice delantera o de tracción, ala en diedro, equipo de aterrizaje retráctil, plano de cola montado atrás con aleta fija vertical, timón de dirección, timones de altura y un solo mando para todas las operaciones de vuelo. Pénaud estimó que su diseño podría volar a 97 km por hora, siempre que pudiera encontrar apoyo económico; más no lo halló y el avión no llegó a construirse. En 1880, amargamente decepcionado y enfermo, Pénaud se suicidó.
Murió sin advertir la aportación indirecta que había hecho al futuro del vuelo. En 1878, Milton Wright, obispo de la Iglesia de los Hermanos Unidos de Cedar Rapids (Iowa), llevó a sus dos hijos menores, Wilbur y Orville, uno de los modelos de avión de Pénaud movidos por la banda de goma. El pequeño juguete produjo una impresión perdurable en los niños y comenzó a hacerlos pensar en modelos mayores.
Pero la mayor aportación a la aeronáutica anterior a los Wright, aparte de la de Cayley, provino del alemán Otto Lilienthal (1848-1896), quien hizo estudios detallados de las aves y publicó sus conclusiones en El vuelo de las aves como base de la aviación, obra que influyó en los investigadores posteriores, incluyendo a los propios hermanos Wright.
Pero la verdadera aportación de Lilienthal fue su decisión de dedicarse a adquirir experiencia en el vuelo propiamente dicho. A partir de 1891 construyó y voló una serie de planeadores. En los diseños posteriores, el propio Lilienthal realizó el despegue corriendo colina abajo hasta lograr la velocidad la velocidad suficiente para la sustentación. Al hacerse al aire el planeador, Lilienthal se sujetaba al armazón dejando que sus piernas colgaran por debajo del aparato. Moviendo de un lado a otro el peso de su cuerpo conseguía una forma rudimentaria de estabilidad y control.
Hizo más de 2,000 vuelos con sus planeadores en un período de 6 años, recorriendo a veces más de 250 m. Aunque su experiencia total de vuelo fue breve según las normas modernas, acumuló más tiempo en el aire que todos sus predecesores juntos y lo que es más importante, demostró de una vez por todas que un ala debidamente diseñada sostenía el peso de un hombre en el aire.
En 1896 comenzó a trabajar en un planeador impulsado mecánicamente. Usó una nueva solución: un motor de gas de ácido carbónico suministraría energía a las puntas de las alas y produciría un aleteo como el de un ave. Más las suerte de Lilienthal se agotó antes de que tuviera éxito con el nuevo aeroplano. El 9 de agosto de 1896, al hacer uno de los saltos de rutina en uno de sus planeadores sin motor, una ráfaga de viento hizo que el aparato perdiera velocidad y se desplomó de una altura aproximada de 15 m. Al día siguiente, Otto Lilienthal falleció a causa de las lesiones.
Lilienthal tuvo un contemporáneo que construyó y experimentó con grandes aparatos de motor antes de 1900, un expatriado norteamericano que vivía en Inglaterra, Sir Hiram Maxim (1840-1916), el inventor de la ametralladora Maxim, quien concentró sus fuerzas en la aplicación de energía y el control. Construyó un biplano de líneas aerodinámicas primitivas accionado por dos motores de vapor de 180 hp, cada uno de los cuales movía una hélice de 5.5 m de diámetro.
En una prueba hecha en 1894, los motores generaron energía suficiente para alzar al pesado aparato, a pesar de que se puso una barandilla para que no despegara. Por increíble que parezca, Maxim consideró terminada su obra: ya había demostrado que con bastante energía se podía elevar hasta un vehículo de 3 toneladas y media y concluyó sus pruebas.
Otro experimentador anterior a los Wright fue Octave Chanute (1832-1910), ingeniero civil norteamericano que en 1875 se interesó por volar y pasó el resto de su vida compilando y divulgando los trabajos de otros investigadores. En 1896 decidió diseñar sus propios planeadores, y cuando ya tenía más de 60 años, perfeccionó un planeador biplano diseñado por Lilienthal e hizo una importante aportación a las futuras estructuras al adaptar la triangulación inventada por el constructor de puentes Pratt, método que consiste en reforzar las alas mediante riostras y alambres diagonales y que todavía se empleaban en los aeroplanos fabricados en el decenio de 1930. Sus planeadores hicieron cientos de vuelos y cubrieron muchas veces más de 90 m. Chanute esperaba pasar al aeroplano con motor, pero en 1900 se convirtió en el hombre de confianza de los hermanos Wright.
La última de las figuras anteriores al vuelo con motor fue Samuel P. Langley (1834-1906), arquitecto, astrónomo, físico, matemático y más adelante, secretario del Instituto Smithsoniano. Desde 1886 hasta 1906 realizó prolongadas investigaciones teóricas y de laboratorio en la aerodinámica. De particular interés fue su tentativa de volar un aeroplano bastante grande accionado por motor llamado Aeródromo, término aplicado por Langley a sus aeronaves. Tras de buscar un motor ligero y potente, el ingeniero asociado de Langley, Charles M. Manly, diseñó un motor notable que suministraba 52 hp y sólo pesaba 57 kg, proporción no mejorada hasta fines de la Primera Guerra Mundial.
El Aeródromo, con su envergadura de 15 m, habría de ser arrojado por una catapulta desde una casa flotante construida especialmente para las pruebas. El avión de Langley, con Manly como piloto, hizo su primer prueba el 7 de octubre de 1903. La casa flotante estaba anclada en el río Potomac, cerca de Widewater (Virginia), y Manly dió la señal de lanzamiento. El Aeródromo arrancó, pero el dispositivo de lanzamiento falló y el avión se despolmó en el Potomac. El piloto se dio un chapuzón más resultó ileso. El avión fue reparado y la segunda prueba tuvo lugar dos meses después. La catapulta de lanzamiento nuevamente falló y aunque Manly sobrevivió, el aeródromo sufrió graves daños.
Después de la muerte de Langley, sus administradores insistieron en que el suyo fue el primer aeroplano capaz de un vuelo sostenido con motor. Solo la catapulta era defectuosa según dijeron.
El escenario estaba listo ahora para el vuelo motorpopulsado propiamente dicho, suceso que aguardó a un par de constructores de bicicletas de Dayton, Ohio.