Principios básicos.
Atmósfera.
El objetivo perseguido en el desarrollo de esta sección consiste en tratar de explicar una serie de conceptos básicos que permitan al lector de estas páginas comprender de una manera sencilla los fundamentos del vuelo. El apelativo "básico" lo es en sus acepciones de "base" y de "esencial".
En los primeros capítulos intentaré explicar con conceptos elementales porqué vuela un avión, es decir porqué un ingenio mecánico (el avión) mas pesado que el aire se desplaza a través del mismo así como qué fuerzas y leyes que las gobiernan son las que hacen esto posible, para continuar describiendo otros conceptos tales como las partes principales de un avión, sus controles y el funcionamiento de los mismos.
1.1.1 La atmósfera.
Empecemos por conocer algunas de las particularidades del medio en que el avión se desenvuelve: la atmósfera.
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea nuestro planeta y aunque se divide en varias capas, por el momento nos limitamos a la más cercana a la tierra: la troposfera, que es aquella en la cual se desenvuelven los aviones.
Esta capa está compuesta principalmente por una mezcla de gases (78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de otros gases) que denominamos aire. A estos constituyentes hay que añadir el vapor de agua concentrado en las capas más bajas, cuya cantidad depende de las condiciones climatológicas y la localización geográfica, pudiendo variar entre el 0% y el 5%. Conforme aumenta el vapor de agua, los demás gases disminuyen proporcionalmente.
Como es lógico, existe una tendencia natural de los gases más pesados a permanecer en las capas más bajas mientras que los más ligeros se encuentran en las capas más altas; de hecho, el 75% de la masa total de la atmósfera se encuentra entre la superficie terrestre y los primeros 10-12 kilómetros de altura (troposfera). Esto explica por qué la mayor parte del oxígeno se encuentra por debajo de los 35.000 pies de altitud (unos 10.670 metros).
Este elemento gaseoso que denominamos aire tiene masa, peso y una forma indeterminada, es capaz de fluir, y cuando está sujeto a cambios de presión cambia su forma debido a la carencia de una fuerte cohesión molecular, es decir, tiende a expandirse o contraerse ocupando todo el volumen del recipiente que lo contiene. Dado que el aire tiene masa y peso, está sujeto y reacciona a las leyes físicas de la misma manera que otros cuerpos gaseosos.
1.1.2 El aire como fluido.
Cuando escuchamos la palabra "fluido" por lo general tendemos a pensar en un líquido, sin embargo los gases, como por ejemplo el aire, también lo son. Los fluidos toman la forma de sus recipientes y no se resisten a la deformación o solo muy ligeramente aun cuando se les aplique una pequeña tensión, propiedad esta que recibe el nombre de viscosidad.
La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a deformarse, siendo la manera en que sus moléculas individuales tienden a adherirse entre sí la que determina esta medida. Los fluidos de alta viscosidad son “espesos” (por ejemplo, la miel) y ofrecen cierta resistencia a fluir mientras que los de baja viscosidad son "ligeros" (por ejemplo, el agua) y fluyen fácilmente. El aire, como fluido que es, tiene propiedades de viscosidad y ofrece resistencia a fluir alrededor de cualquier objeto, aunque muy débilmente.
Aunque el aire tiene también muchas otras propiedades importantes, para poder explicar por qué vuela un avión veamos ahora otras tres de sus características básicas: presión, temperatura y densidad. Como se verá en los siguientes capítulos, estos tres conceptos están íntimamente relacionados y afectan de forma muy importante al vuelo.
1.1.3 Presión atmosférica.
Se define como presión a la cantidad de fuerza aplicada por unidad de superficie. De acuerdo con esta definición, presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre una unidad de superficie, fuerza que se debe al peso del aire contenido en una columna imaginaria que tiene como base dicha unidad.
Se define como presión a la cantidad de fuerza aplicada por unidad de superficie. De acuerdo con esta definición, presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre una unidad de superficie, fuerza que se debe al peso del aire contenido en una columna imaginaria que tiene como base dicha unidad.
Esta circunstancia nos indica una primera cualidad del aire: la presión atmosférica cambia de forma inversamente proporcional a la altura, es decir, decrece con la altura, "a mayor altura menor presión". La magnitud de este decrecimiento en condiciones estándar es de 1 hectopascal por cada 9 metros de altura, o medido en otras unidades 1” pulgada por cada 1000 pies aprox. (1 hPa por cada 9 m o 1” pulgada por cada 1000 ft).
Para medir la presión atmosférica se puede utilizar un barómetro de mercurio, un barómetro aneroide, o cualquier otro aparato más sofisticado. Las unidades normalmente empleadas en aviación son hectopascales (1 hPa=10³ dinas/cm²) o pulgadas de mercurio (1” pulgada de mercurio equivale aprox. a 34 hectopascales, exactamente a 33,865), aunque es posible encontrar como unidad el milibar (mb) unidad equivalente al hectopascal (1 hPa = 1 mb).
La presión atmosférica es uno de los factores básicos en los cambios meteorológicos, influye decisivamente en la sustentación del avión (a través de la densidad) y es la base del funcionamiento de algunos instrumentos de vuelo: altímetro, anemómetro, variómetro, etc.
1.1.4 Temperatura del aire.
Aunque existen factores particulares que afectan a la temperatura del aire, como por ejemplo lo cercano o lejano que esté un lugar respecto a la línea del ecuador, su lejanía o proximidad a la costa, etc., un hecho común es que el calor del sol atraviesa la atmósfera sin elevar significativamente su temperatura pero esta energía es absorbida por la Tierra provocando que esta se caliente y eleve su temperatura, la cual es cedida gradualmente a las capas de aire en contacto con ella. En este ciclo continuo, cuanto más alejadas están las capas de aire de la tierra menos calor reciben de esta. Debido a esto, una segunda cualidad del aire es que la temperatura disminuye con la altura, "a mayor altura menor temperatura".
La magnitud de este decrecimiento (gradiente térmico) es de aproximadamente 6,5ºC cada 1000 metros (1ºC por cada 154 metros), o dicho con otras medidas 1,98ºC cada 1000 pies (305 metros). Estas magnitudes son validas hasta una altura de 11000 mts. (36.000 pies aprox.), a partir de la cual la temperatura se considera constante a -56,5ºC. Aunque las magnitudes dadas no se cumplen exactamente al no ser el aire un gas ideal, estos valores medios son los aceptados como indicativos del comportamiento del aire.
1.1.5 Densidad del aire.
La densidad de cualquier cuerpo sea sólido, líquido o gaseoso expresa la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen (d=m/V). Esta propiedad en el aire es en principio mal asimilada por poco intuitiva, pues es cierto que la densidad del aire es poca si la comparamos con la del agua por ejemplo, pero es precisamente esta diferencia lo que hace el vuelo posible.
La densidad del aire cambia principalmente en función de la presión y la temperatura; puesto que ambas variables cambian con la altura veamos cómo afectan estos cambios a la densidad. Si se comprime, una misma masa de gas ocupará menos volumen, o un mismo volumen alojará mayor masa de gas; este hecho se conoce en Física como ley de Boyle-Mariotte: "Para un gas a temperatura constante, el volumen es inversamente proporcional a la presión sobre este." (p/V=k). De esta ley y de la definición de densidad se deduce que: la densidad aumenta o disminuye en relación directa con la presión..
Por otra parte, sabemos que si se aplica calor a un cuerpo este se dilata y ocupa más volumen, hecho conocido en Física como Ley de dilatación de los gases de Gay-Lussac: "La dilatación de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos" (p/T=k) de forma que en el mismo volumen habrá menos masa, o lo que es equivalente su densidad será menor. Tenemos pues que la densidad aumenta o disminuye en relación inversa a la temperatura. Resumiendo:
- Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable también aumenta, notablemente en los gases, casi inapreciablemente en líquidos y sólidos.
- Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante).
Se plantea ahora un dilema, porque si al aumentar la altura disminuye la presión (menor densidad) y también lo hace la temperatura (mayor densidad) ¿cómo queda la densidad?. Pues bien, la rápida caída de la presión a medida que aumenta la altitud es el efecto dominante, de manera que influye en mayor medida el cambio de presión que el de temperatura, resultando en definitiva que "a mayor altura menor densidad".
1.1.6 Humedad del aire.
Los párrafos anteriores se refieren al aire que está seco, pero en realidad nunca lo está completamente. La pequeña cantidad de vapor de agua suspendida en la atmósfera puede ser casi insignificante en ciertas condiciones, pero en otras distintas la humedad puede convertirse en un factor importante a tener en cuenta en el rendimiento de un avión.
Como el vapor de agua tiene una densidad menor que la del aire, el aire húmedo (mezcla de aire y vapor de agua) es menos denso que el aire seco; en la medida que el contenido de vapor de agua aumente su contenido en el aire este último irá perdiendo densidad.
La humedad relativa, se refiere a la cantidad de vapor de agua contenida en la atmósfera y se expresa como un porcentaje de la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener. Esta cantidad varía con la temperatura: el aire caliente retiene más vapor de agua, mientras que el aire frío retiene menos.
En definitiva: la densidad del aire tiene efectos significativos en el rendimiento del avión dado que a medida que el aire se hace menos denso resulta que:
- La potencia se reduce dado que el motor absorbe menos particulas de aire para quemar.
- El empuje también se reduce porque la hélice es menos eficiente en un aire poco denso.
- Por último, pero no menos importante, la sustentación también disminuye dado que el aire ejerce menos fuerza sobre el ala. De hecho, uno de los factores que intervienen en la fórmula de la sustentación es la densidad.
1.1.7 Atmósfera tipo.
La atmósfera tipo o atmósfera estándar, conocida como atmósfera ISA (International Standard Atmosphere), es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias. La Organización Internacional de Normalización (ISO) la definió basándose en el modelo establecido por la OACI en su Documento 7488/2, Segunda Edición, 1964. Sus constantes más importantes son:
- Unos valores en superficie al nivel del mar de:
- Temperatura: 15ºC (59ºF).
- Presión: 760 mm o 29,92" de columna de mercurio, equivalentes a 1013,25 hPa (o su equivalente milibares) por cm².
- Densidad: 1,225 kg. por m³.
- Aceleración debido a la gravedad: 9,8 m/segundo².
- Velocidad del sonido: 340,29 m/segundo.
- Un gradiente térmico de -6,5ºC por cada 1000 metros o -1,98ºC por cada 1000 pies, hasta la tropopausa que se mantiene constante en -56,5ºC.
- Un descenso de presión de 1" por cada 1000 pies de altura, o 1 hPa por cada 9 metros, o 110 hPa por cada 1000 metros.
- La tropopausa se considera establecida en 11.000 metros o su equivalente 36.089 pies.
En resumen, la atmósfera estándar se ha definido como un aire ideal desprovisto de humedad, vapor de agua u otras partículas en suspensión, que obedece a la ley de los gases perfectos. Esta atmósfera tipo definida por la OACI sirve como patrón de referencia, pero muy raramente un piloto tendrá ocasión de volar en esta atmósfera estándar. En el apartado Descargas puede encontrar una hoja excel con datos sobre la atmósfera ISA.
De todos los valores anteriores, los más familiares en aviación son: a nivel del mar una temperatura de 15ºC y una presión de 1013 hPa o 29.92" y por cada 1000 pies de altura una disminución de 1,98ºC de temperatura y 1" de presión.
Como curiosidad, aconsejo bajarse un simulador de Atmósfera de la N.A.S.A "Atmosphere Applet" que aunque está hecho en Java e Internet Explorer, permite ir jugando con distintos parámetros y ver los valores obtenidos.
La N.A.S.A. tiene también una página web, especialmente pensada para niños ¡¡en español!! dedicada a la ciencia, muy, muy recomendable.
