Manual de vuelo
Anemómetro

Instrumentación.

Anemómetro.

Anemómetro

El anemómetro, también llamado indicador de velocidad aerodinámica, velocímetro o indicador de velocidad horizontal (Airspeed Indicator), es el instrumento que mide la velocidad relativa del avión con respecto a la masa de aire en que se mueve, e indica esta velocidad en millas terrestres por hora "m.p.h.", nudos "knots" (1 nudo=1 milla marítima por hora), o en ambas unidades. (1).

Indicador de velocidad

En los manuales de operaciones no hay casi ninguna maniobra que no refleje una velocidad a mantener, a no sobrepasar, recomendada, mínima, máxima, etc. además de que la mayoría de los números, críticos y no tan críticos, con los que se pilota un avión se refieren a velocidades: velocidad de pérdida, de rotación, de mejor ascenso, de planeo, de crucero, de máximo alcance, de nunca exceder, etc.

Para el piloto, este instrumento es uno de los más importantes, quizá el que más, puesto que puede servirse de la información que le proporciona para:

  1. Limitar: por ejemplo, no sobrepasar la velocidad máxima de maniobra.
  2. Decidir: por ejemplo, cuando rotar y cuando irse al aire en el despegue.
  3. Corregir: por ejemplo, una velocidad de aproximación incorrecta.
  4. Deducir: por ejemplo, que el ángulo de ataque que mantiene es muy elevado.
  5. etc.

En resumen, el anemómetro puede ser un magnífico auxiliar durante todas aquellas maniobras donde sea especialmente necesario el mejor control del ángulo de ataque, porque tal como se dijo en el capítulo dedicado a ese tema, este instrumento proporciona al piloto indirectamente la mejor medida de dicho ángulo.

2.5.1   Principios de operación.

El indicador de velocidad es en realidad y básicamente un medidor sensible de diferencias de presión, que transforma esa presión diferencial en unidades de velocidad. La diferencia entre la presión de impacto o total proporcionada por el tubo de pitot (Pe+Pd) y la presión estática (Pe) dada por las tomas estáticas, es la presión dinámica (Pe+Pd-Pe=Pd), que como sabemos es proporcional a 1/2dv2 y que adecuadamente convertida a unidades de velocidad es la que muestra el anemómetro; a mayor diferencia de presiones mayor es la velocidad del aeroplano. Pe=Presión estática y Pd=Presión dinámica.

El indicador de velocidad proporciona una medida de la presión aerodinámica (1/2dv2) de una manera conceptual fácil de entender (en forma de velocidad) y además una primera aproximación de la velocidad de desplazamiento del aeroplano sobre la superficie terrestre o marítima (Ground Speed).

2.5.2   Construcción.

Construcción anemómetro

Similar a los otros instrumentos basados en las propiedades del aire, aunque este es el único que utiliza la presión de impacto, consta de una caja sellada dentro de la cual hay una cápsula barométrica, cápsula aneroide o diafragma, conectada, mediante varillas y engranajes, a una aguja indicadora que pivota sobre una escala graduada.

La cápsula barométrica mantiene en su interior la presión de impacto o presión total gracias a una toma que la conecta con el tubo pitot, mientras que en la caja se mantiene la presión ambiental que proviene de las tomas estáticas a través de otra conexión. La diferencia de presión entre el interior y el exterior de la cápsula aneroide hace que esta se dilate o contraiga, movimiento que calibrado adecuadamente se transmite de forma mecánica a la aguja indicadora.

En el suelo y con el avión parado, las presiones de impacto y estática son iguales y por lo tanto este instrumento marcará cero; pero con el avión en movimiento, la presión de impacto será mayor que la presión en las tomas estáticas, esto hará que el diafragma se expanda y mueva la aguja del indicador en proporción a esta diferencia. En la medida que el avión acelere o decelere, el aumento o disminución de la presión diferencial hará que la aguja indique el incremento o disminución de velocidad.

El frontal visible de este instrumento, consta básicamente de una esfera con una escala numerada, una aguja indicadora, y alrededor de la escala numerada unas franjas de colores. Algunos tienen además unas ventanillas graduadas y un botón giratorio de ajuste. En este mismo capítulo, se explica el significado de esta escala de colores y para qué sirve y como se maneja el botón de ajuste.

2.5.3   Lectura del indicador de velocidad.

La lectura de este instrumento es muy sencilla: una aguja marca directamente la velocidad relativa del avión en la escala del dial. Algunos anemómetros tienen dos escalas, una en millas por hora (m.p.h.) y otra en nudos (knots); se puede tomar como referencia una u otra, pero poniendo cuidado para no confundirse de escala. Por ejemplo, si queremos planear a 70 nudos y nos equivocamos de escala, planeamos realmente a 70 m.p.h., velocidad sensiblemente inferior (un 15%) a la deseada.

Chequeo. Dada la importancia de este instrumento, durante la carrera de despegue se debe comprobar que la aguja marca cada vez mayor velocidad, que el anemómetro está "vivo". Si observa que el avión cada vez se mueve más rápido, pero la aguja no se mueve, cancele el despegue. La causa más probable de esta disfunción es que se le haya olvidado quitar la funda del tubo pitot.

2.5.4   Nomenclatura de velocidades.

La mayoría de los manuales de operación utilizan una nomenclatura de velocidades que derivan, como no, de las correspondientes siglas en ingles. En algunos casos estas siglas están precedidas por la letra K "Knots - nudos" para significar que el valor correspondiente esta expresado en dicha unidad, como por ejemplo KIAS para la velocidad indicada, KCAS para velocidad calibrada, etc.

Velocidad Indicada - IAS (Indicated Airspeed): Es la velocidad leída directamente del anemómetro (sin correcciones) y en ella se basan los constructores para determinar las performances del aeroplano: las velocidades de despegue, ascenso, pérdida, aproximación y aterrizaje dadas en los manuales de operación son velocidades IAS y normalmente no varían con la altitud o la temperatura.

Velocidad Calibrada - CAS (Calibrated Airspeed): Es la IAS corregida por posibles errores del propio instrumento y su instalación. Aunque los fabricantes intentan reducir estos errores al mínimo, como es imposible eliminarlos totalmente en todas las escalas de velocidades, optan por la mejor calibración en aquellas en las cuales vuela el avión la mayor parte del tiempo: el rango de velocidades de crucero. En la tabla siguiente, obtenida del manual de operación de un determinado aeroplano, se observa que en velocidades cercanas al rango de crucero el error de medición es nulo o mínimo; máximo a bajas velocidades e intermedio en velocidades superiores al régimen de crucero.

Ejemplo de tabla de conversión de CAS a TAS

Los manuales de operaciones suelen incluir unas tablas similares a la anterior o unos gráficos que muestran la CAS que corresponde a cada IAS.

Conversión de velocidad indicada a calibrada

Dependiendo del aeroplano y del año de su construcción, Vd. puede encontrarse con que el manual del aeroplano menciona las velocidades en unidades "indicadas" (por ejemplo, Best Rate of Climb Speed=76 KIAS), unidades "calibradas" e "indicadas" (Design Maneuvering Speed = 103 KIAS o 101 KCAS), en ninguna específica (Never Exceed Speed = 171 Mph) o mencionar en algún párrafo que todas las velocidades del manual se entienden "calibradas", o cualquier combinación de todo esto.

Velocidad Verdadera - TAS (True Airspeed): Es la CAS corregida por la altitud y la temperatura no estándar. El sistema está construido teniendo en cuenta la densidad estándar del aire al nivel del mar, pero con una densidad diferente la medición no es tan precisa. Sabemos que la densidad del aire disminuye a medida que se incrementa la altitud y aunque este cambio afecta tanto a la presión estática como a la presión de impacto en el tubo pitot, no lo hace en la misma proporción, de manera que para una misma velocidad calibrada (CAS) la velocidad verdadera (TAS) va aumentando con el incremento de altitud. Dicho de otra manera, a medida que aumenta la altitud un aeroplano vuela más rápido de lo que le indica la lectura del instrumento (la diferencia entre las presiones de impacto y estática).

Para una misma velocidad calibrada, la velocidad verdadera es mayor cuanto mayor sea la altitud.

La velocidad TAS es la que debe tenerse en cuenta cuando se planea un vuelo y como tal se especifica al rellenar el plan de vuelo.

Se puede calcular la TAS a partir de un computador de vuelo, en el cual seleccionando la CAS, la altitud de presión y la temperatura se obtiene calculada la TAS.

Calcular TAS con un computador de vuelo

Más sencillo y más rápido: algunos anemómetros llevan incorporado un pequeño calculador mecánico que funciona de la forma siguiente: en la parte superior del instrumento hay una ventanilla en la cual aparece un dial movible sobre una pequeña escala de temperaturas; moviendo este dial con el botón giratorio anexo al instrumento hasta que queden enfrentadas la altitud actual con la temperatura exterior, se muestra la TAS en la ventanilla de la parte inferior del instrumento.

Un ejemplo de esta forma de funcionamiento se muestra en la siguiente figura (con datos no reales).

Obtención de la velocidad calibrada

Un método mas impreciso, pero también sencillo y rápido, consiste en aplicar la regla siguiente: "Añadir un 2% a la velocidad calibrada por cada 1000 pies de altitud". Según esta regla, añadiremos a la CAS un 2%, un 4% un 6%... según volemos a 1000, 2000, 3000 pies... respectivamente. Por ejemplo: con una velocidad CAS de 80 nudos y una altitud de 4000 pies calcularíamos una TAS de 86,4 nudos (80 + (2*4)% de 80).

Para obtener la TAS, añadir a la CAS un 2% por cada 1000 pies de altitud.

Velocidad respecto al suelo - GS (Ground Speed): Es la velocidad actual del aeroplano respecto al suelo y su valor es igual a la velocidad verdadera (TAS) +/- la velocidad del viento.

Con el viento en cara, el avión vuela en una masa de aire que se desplaza en sentido contrario y por tanto, eso hace que GS=TAS-V (siendo V la velocidad del viento), de lo que se deduce que GS<TAS. Con viento de cola, el avión y la masa de aire en que se mueve tienen el mismo sentido, por lo cual GS=TAS+V y de ahí obtenemos que GS>TAS; por último, con el viento en calma GS=TAS.

El viento en cara disminuye la GS mientras que el viento en cola la aumenta.

Conviene insistir en que el anemómetro mide la velocidad relativa del avión respecto al aire que lo rodea NO respecto al suelo; esta última velocidad depende además de la dirección e intensidad del viento. En la figura siguiente se muestra como para una misma velocidad de anemómetro la GS varía en función del viento.

En la animación anterior se suponía la dirección del viento exactamente igual a la dirección de vuelo del avión, con el mismo sentido (en cola) o sentido contrario (en cara), pero esta situación es poco factible en la vida real, lo normal es que ambas direcciones no coincidan. Como tanto la True Airpeed TAS como la velocidad del viento son cantidades vectoriales (tienen magnitud y dirección), para calcular con exactitud la Ground Speed GS, que es otra cantidad vectorial, habrá que sumar los vectores TAS y Velocidad del viento. Hecha esta precisión, sería mas exacto afirmar que: "la velocidad del aeroplano respecto al suelo GS es igual a su velocidad verdadera TAS +/- la velocidad del componente viento de su misma dirección” (+ si esa componente tiene el mismo sentido o - si tiene sentido contrario).

Vector GS como suma de vectores

Número de Mach. Aunque queda fuera del alcance de este manual, conviene mencionar una unidad de velocidad que se encuentra con bastante frecuencia en la literatura aeronáutica: el Número de Mach. Este número es la relación o ratio entre la velocidad verdadera (TAS) del aeroplano y la velocidad del sonido en las mismas condiciones atmosféricas; un avión volando a la velocidad del sonido (2). está volando con Mach 1.0. Conforme a esta unidad, podemos distinguir el siguiente rango de velocidades:

  • Velocidad subsónica: cuando es inferior a Match 0.75.
  • Velocidad transónica: la comprendida entre 0.75 y 1.2.
  • Velocidad supersónica: la comprendida entre Match 1.2 y 5.0.
  • Velocidad hipersónica: si es superior a Match 5.0.

2.5.5   Códigos de colores.

Para recibir la certificación de la F.A.A. los aviones fabricados a partir de 1945 que tengan un peso de hasta 12500 lbs. (5670 kg), deben contar con un anemómetro conforme con un sistema de marcas de colores estándar (fig.259). Este sistema de marcas de colores permite al piloto determinar a simple vista ciertas limitaciones de velocidad que son importantes para manejar el avión con seguridad. Por ejemplo: si durante la ejecución de una maniobra el piloto observa que la aguja está en el arco amarillo y se va acercando con rapidez a la marca roja, la reacción inmediata debería ser reducir la velocidad. Las marcas de colores y su traducción a velocidades IAS son las siguientes:

Marcas de colores anemómetro

Arco blanco: - Velocidades de operación con flaps extendidos, o velocidades a las cuales se pueden extender los flaps sin sufrir daños estructurales. El extremo inferior de este arco corresponde a la velocidad de pérdida con los flaps totalmente extendidos, peso máximo, motor al ralentí y tren de aterrizaje abajo (VS0). El extremo superior indica la velocidad límite de extensión de los flaps (VFE). Los flaps deben deflectarse únicamente en el rango de velocidades del arco blanco. Las velocidades de aproximación y aterrizaje suelen estar comprendidas en el rango del arco blanco.

Arco verde - Velocidades de operación normal del avión. La mayoría del tiempo de vuelo ocurre en este rango. El extremo inferior corresponde a la velocidad de pérdida con el avión limpio (flaps arriba), peso máximo, motor al ralentí y tren de aterrizaje abajo (VS1). El extremo superior marca el límite de la velocidad normal de operación (VNO), límite que no debe ser excedido salvo en aire no turbulento y en ese caso además con mucha precaución. En este rango de velocidades el avión no tendrá problemas estructurales en caso de turbulencias moderadas.

Arco amarillo - Margen de precaución. En este rango de velocidades solo se puede volar en aire no turbulento y aún así no deben realizarse maniobras bruscas que podrían dañar el avión.

Línea roja - Velocidad máxima de vuelo del avión (VNE) o velocidad de nunca exceder (NE=Never Exceed). Esta velocidad no debe ser nunca rebasada ni siquiera en aire sin turbulencias so pena de producirle al aeroplano daños estructurales. Este límite viene impuesto por la capacidad de resistencia de las alas, estabilizadores, tren de aterrizaje, etc.

Resumen de códgos de colores del anemómetro

Importante: Las velocidades límite (VS0, VS1, VFE, VNO, VNE) señaladas por los extremos de los arcos de colores del indicador de velocidad son significativas con el avión experimentando 1g, pero con más de 1g (que es habitual durante un vuelo normal) estas velocidades varían. Por ejemplo: puesto que el extremo inferior del arco verde indica velocidad de pérdida con flaps arriba, si un piloto cree que con una velocidad mayor no entrará en pérdida (supuesto que lleva flaps arriba) puede que esté corriendo riesgos. La velocidad de pérdida con más de 1g es mayor que la señalada por los límites del color correspondiente del anemómetro.

Resumiendo: Sea precavido y esté muy atento cuando la velocidad del aeroplano ronde las cercanías de los límites de los arcos de color.

Las velocidades límite (superior o inferior) dadas por los arcos de colores no son las únicas existentes, hay algunas otras que no están marcadas en el dial del indicador de velocidad pero que sin embargo se relacionan en el manual de operación del aeroplano, entre ellas la velocidad de maniobra la cual se detalla a continuación.

2.5.6   Velocidades limitadas por razones estructurales.

En realidad, con las limitaciones de velocidad lo que está representando el fabricante son los topes máximos (naturalmente con un factor de seguridad añadido) de las fuerzas y aceleraciones (según el caso) soportables por las distintas partes del aeroplano. La idea que subyace es que no se produzca la rotura de ningún elemento aerodinámico (alas, timones, estabilizadores, etc.) o estructural (tren de aterrizaje, sujeción del motor, antenas, etc.) debido al exceso de fuerza o aceleración ejercido sobre los mismos.

Ejemplo de limitaciones de velocidad

La limitación marcada por la velocidad VNO (Maximum Structural Cruising Speed) señalada por el extremo superior del arco verde, se debe a la fuerza máxima de sustentación que puede soportar el ala: hay un coeficiente máximo de sustentación y esta fuerza depende de ese coeficiente por el cuadrado de la velocidad CAS. En régimen de crucero, el ángulo de ataque es muy bajo y la velocidad es muy alta; si por cualquier razón el ángulo de ataque varía bruscamente, la fuerza de sustentación puede sobrepasar el límite soportable por las alas. Limitando la velocidad alejamos la fuerza producida por las alas de su límite máximo y con ello el riesgo de rotura de las mismas. En régimen de crucero no sobrepase esta velocidad salvo en aire no turbulento e incluso así con mucha precaución.

En el límite VNE (Never-exceed speed) señalado por la línea roja intervienen además otros factores, tales como la fuerza de resistencia creada a esa velocidad por algunos componentes primarios (alas, timones, tren de aterrizaje) o secundarios (antenas, luces, etc.), inestabilidad de la estructura y sistemas de control, etc. Las razones por las cuales no debe sobrepasarse esta velocidad bajo ninguna circunstancia son obvias.

Esa misma fuerza de resistencia es la que impone el límite de velocidad con flaps extendidos VFE (Maximum Flaps Extended Speed), marcado por el extremo superior del arco blanco. Volar con flaps extendidos a velocidades superiores puede suponer perderlos.

Por último, hay otra velocidad límite no señalada en el anemómetro pero que viene especificada en los manuales del constructor: se trata de la VA (Design Maneuvering Speed), que es la velocidad máxima a la cual la aplicación total de los controles aerodinámicos (alerones, timones) a pesar de someter al aeroplano a altos factores de carga (g) no provocan un exceso de estres sobre este; dicho de otra manera, si se encuentra volando con turbulencias moderadas o severas mantenga su velocidad por debajo de este límite y evite además hacer movimientos bruscos sobre los controles aerodinámicos o aplicar estos al máximo.

Notas:

Hemos visto que el anemómetro no mide realmente velocidades sino presiones diferenciales que transforma en indicaciones de velocidad, y que tal como esta construido cualquier variación de la presión atmosférica se refleja automáticamente en este instrumento. Pues bien, esta forma de operar favorece enormemente el pilotaje pues permite realizar la misma maniobra (p. ejemplo despegar) con una velocidad de anemómetro concreta con independencia de la densidad del aire, fuerza y dirección del viento, altitud del aeródromo, etc. Cuando el fabricante recomienda mantener una velocidad específica, por ejemplo en aproximación final, se esta refiriendo a velocidades de anemómetro (IAS o CAS) debido precisamente a como funciona este instrumento.

Imaginemos por un momento que este instrumento funcionara de otra forma y midiera la velocidad respecto al suelo: para lograr una velocidad aerodinámica capaz de sustentar al avión, tendríamos que conocer y calcular en cada momento la densidad del aire y la fuerza del viento, y esperar que de un minuto al siguiente no cambie la fuerza de este viento y recalcular. Parece mucho mas complicado y arriesgado que seguir la velocidad del anemómetro ¿no?.

Conclusión: La presión dinámica que mantiene las alas en el aire es la misma que mueve el anemómetro, de manera que una variación en la densidad del aire afectará a la sustentación y en la misma forma al anemómetro, de lo cual resulta que este opera como si corrigiera de forma automatica estas variaciones. En otras palabras: las velocidades críticas del aeroplano (Vs, Vx, Vy, ...) NO se corrigen por el factor densidad, el anemómetro ya lo hace.

Un fichero word con la nomenclatura, en inglés, de las velocidades comúnmente utilizadas se puede encontrar en el apartado de descargas del manual.

(1). Una milla terrestre (statute mile) equivale a 1609 mts. Una velocidad de 100 mph supone por tanto 161 km/hora. Una milla marítima (nautical mile) equivale a 1852 mts. Una velocidad de 100 nudos supone pues 185 km/hora. La equivalencia entre nudos y mph es la siguiente: 1 nudo=1.1516 mph ; 1 mph=0.8684 nudos.

(2). La velocidad del sonido a nivel del mar y en condiciones estándar es de 340,29 ms/s.

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