MANUAL DE VUELO
La pérdida

Principios básicos.

La pérdida.

En este capítulo veremos cómo se produce una situación que, no controlada y según en qué circunstancias se produzca, puede entrañar un alto riesgo para la integridad de los pasajeros y del aparato: la pérdida. Cuando hablamos de pérdida, en nuestro caso no nos estamos refiriendo a un olvido, una desaparición, una carencia, un extravío o algo por el estilo, no, nos estamos refiriendo a la pérdida de sustentación, abreviadamente “pérdida”.

1.8.1   Definición de pérdida.

Un aeroplano se mantiene en vuelo en tanto genera sustentación suficiente para contrarrestar su peso multiplicado por el factor de carga; cuando esa sustentación es insuficiente el aeroplano entra en pérdida. Y ¿qué es la pérdida?

Brevemente, la pérdida, en inglés “stall”, es el efecto aerodinámico provocado por la incapacidad del ala para seguir produciendo sustentación y se produce cuando el avión vuela con un ángulo de ataque mayor que el ángulo de ataque crítico, lo que provoca el desprendimiento del flujo de aire sobre el ala dejando esta de proporcionar la sustentación necesaria para compensar el peso de la aeronave.

No hay nada extraño en el ángulo de ataque crítico, la sustentación no cae a cero, es más, en este punto es donde se alcanza el coeficiente máximo de sustentación, lo que sucede simplemente es que pasado este ángulo comienza rápidamente a disminuir la sustentación e incrementarse la resistencia dando lugar a la entrada en pérdida.

1.8.2   Capa laminar y capa turbulenta.

Para tener una idea de cómo se produce la pérdida físicamente, veamos primero unos conceptos sencillos sobre fluidos:

Flujo laminar. Es un flujo en el cual el fluido puede ser considerado que se mueve en capas uniformes denominadas laminas. Un flujo es laminar cuando capas sucesivas de aire dentro de la capa límite se deslizan suavemente una sobre otra, desde la película estacionaria en la superficie hasta la velocidad de flujo libre del aire exterior.

Flujo turbulento. En este tipo de flujo las láminas fluyen desorganizadas, tanto en su dirección como en su velocidad. En el espacio libre el flujo no interactúa con los objetos, pero si un objeto está cercano al flujo del fluido, interactúa con el mismo cambiando sus características de velocidad como veremos seguidamente.

El flujo puede permanecer laminar en tanto las láminas no interactúan lo suficiente para causar movimientos secundarios entre ellas, pero en caso contrario la mezcla libre y aleatoria de las láminas hacen el flujo turbulento.

Flujo laminar y flujo turbulento

El flujo puede cambiar de laminar a turbulento en base a:

Capa límite y capa turbulenta. Cuando un fluido fluye sobre una superficie, debido a la fricción, la capa más cercana a la superficie se detiene completamente. Encima de esta capa se forman otras, cada una de las cuales tiene menos fricción que la anterior y por tanto mayor velocidad. Así hasta que a partir de una capa concreta no hay fricción y las capas tienen la velocidad libre del fluido.

La superficie de un ala, como cualquier otra superficie, tiene una cierta rugosidad a nivel microscópico lo que provoca resistencia y disminuye la velocidad del aire que fluye alrededor de la misma. Las moléculas de aire de la capa más próxima al ala en realidad se adhieren a la misma debido a la fricción, resisten el movimiento debido a la propia rugosidad del ala y tienen una velocidad relativa cercana a cero. Esta capa de moléculas que tienden a adherirse a la superficie del ala se conoce como capa límite.

Al conjunto de capas que van desde la que tiene velocidad cero (la más cercana al ala) hasta la que tiene velocidad libre se le llama capa límite, en inglés “boundary layer”, y a la distancia entre la primera y la última capa espesor de la capa límite, “boundary layer thickness”.

Capa límite

El espesor de la capa límite suele aumentar a medida que el fluido se mueve a lo largo de la superficie. La cantidad de este aumento depende de la viscosidad del fluido, la velocidad del flujo, la suavidad/rugosidad de la superficie, y la forma de esta.

A la capa límite cuyo flujo es laminar se le suele llamar capa límite laminar que a veces se abrevia como capa laminar, mientras que si el flujo es turbulento la capa recibe el nombre de capa límite turbulenta, abreviada como capa turbulenta.

Cuando la capa límite comienza a fluir por el borde de ataque del ala lo hace en forma de capa laminar, pegada al ala y muy fina; pero a medida que fluye hacia el borde de salida esta capa se va haciendo capa turbulenta, más separada del ala y con más grosor.

Mientras la capa es laminar, se mantiene pegada al ala y produce sustentación, pero al convertirse en turbulenta aumenta su separación del ala y no produce sustentación. El punto en el cual la capa laminar se va convirtiendo en turbulenta e incrementa su grosor se denomina "transición a turbulencia" o "transición de capa límite".

De forma general, sobre un ala normal la capa límite permanece laminar solo una pequeña parte de la cuerda antes de dividirse en un flujo turbulento; además, el espesor de esta capa en la zona del borde de ataque es pequeño, aunque aumenta a lo largo del perfil. El área de flujo turbulento experimenta una resistencia a la fricción significativamente mayor que el flujo laminar.

Las cualidades de vuelo de las alas se pueden mejorar de dos maneras y el control de la capa límite puede ayudar en ambas: 1) disminuir la resistencia manteniendo el flujo laminar dentro de la capa límite y así evitar la transición a flujo turbulento; y 2) aumentar la sustentación retrasando el inicio de la separación de la capa límite todo lo posible.

1.8.3   Cómo se produce.

Teniendo ya claro que la causa directa de la pérdida es siempre un excesivo ángulo de ataque, estamos en condiciones de saber cómo entra un pérdida un ala.

Con moderados ángulos de ataque el flujo de aire sigue el contorno de la superficie del ala y el punto de transición a turbulencia se mantiene cercano al borde de salida (1); pero a medida que el ángulo de ataque se incrementa (2), el flujo de aire tiene mayor dificultad para seguir el contorno del ala debido al intenso cambio de dirección y el punto de transición se va desplazando hacia el borde de ataque hasta alcanzar el ángulo crítico; en ese preciso momento la sustentación es máxima (3), pero si el ángulo de ataque sigue aumentando, el punto de transición está tan adelantado que apenas hay capa laminar, casi toda es turbulenta y separándose del ala (4). En ese momento la presión diferencial se ha reducido y la resistencia se ha incrementado, hasta tal punto de que no hay sustentación suficiente para soportar el peso del aeroplano y el ala entra en pérdida.

Rebasamiento del ángulo de ataque crítico y entrada en pérdida

Cada aeroplano tiene un ángulo de ataque particular en el cual el flujo de aire sobre la superficie del extradós se separa y ocurre la pérdida. Este ángulo suele variar de 16º a 20º aproximadamente, dependiendo del diseño del avión. Debemos tener claro que cada avión tiene solo un ángulo de ataque específico en el cual ocurre la pérdida.

1.8.4   Velocidad de pérdida.

Ahora que sabemos que la pérdida es un fenómeno exclusivamente aerodinámico que se produce por un excesivo ángulo de ataque, conviene recordar que el ángulo de ataque está formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo, la cual no tiene por qué coincidir con la dirección a la que apunta el morro del avión.

Los aeroplanos no cuentan con indicadores de ángulo de ataque, ni siquiera los grandes aviones comerciales que, aunque tienen sensores para medirlo, curiosamente no proporcionan esa información al piloto sino al computador de vuelo. En su lugar, lo que indican los manuales de operación proporcionados por los constructores son las velocidades de pérdida (stall speeds) del aeroplano para distintas configuraciones y situaciones de vuelo.

El indicador de velocidad nos da una buena información sobre el ángulo de ataque; por eso se habla de velocidades de pérdida y como tales vienen tabuladas en los manuales. La velocidad que corresponde al ángulo de ataque que provoca la entrada en pérdida según configuración del avión, aumentada en un porcentaje de entre el 5% y el 10%, se denomina velocidad de pérdida.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de las indicaciones de un fabricante, en un POH (Pilot’s Operating Handbook), mediante gráficos, de las velocidades de pérdida según el peso de la aeronave o del ángulo de alabeo, o ambas, con flaps extendidos o retraídos, incluido un ejemplo de cómo calcularlas.

Ejemplo de velocidades de pérdida en un manual

La velocidad de pérdida de cada avión en particular no es un valor fijo para todas las situaciones de vuelo, aunque un aeroplano SIEMPRE entra en pérdida con el mismo ángulo de ataque con independencia de su velocidad, peso, factor de carga o altitud de densidad. Resumiendo: el ángulo de ataque que provoca la pérdida es constante para cada tipo de ala, sin embargo, la velocidad varía en función de distintos parámetros (peso, factor de carga, etc.).

1.8.5   Condiciones que afectan a la pérdida.

El peso del avión. Las velocidades de pérdida tabuladas por el fabricante son para un peso determinado del avión, es decir que por debajo de esa velocidad un avión con el peso dado entra en pérdida. Pero si el peso es mayor, la entrada en pérdida se producirá antes pues antes se dará el déficit de sustentación. En definitiva, al aumentar el peso del avión este entrará en pérdida a una velocidad con la cual no hubiera entrado con un peso inferior.

Variación de la velocidad de pérdida con el peso

La densidad del aire. Si el aire es menos denso se produce menos sustentación y por tanto se entra antes en pérdida. Por la misma razón cuanto mayor sea la altura (menor densidad) antes se entrará en pérdida.

La configuración del avión. Los dispositivos hipersustentadores (flaps o slats) aumentan la sustentación del avión, con lo cual la velocidad de entrada en pérdida con ellos extendidos es menor que con el avión "limpio" (dispositivos sin extender). En el capítulo dedicado a las superficies de control, se detalla como extender flaps y/o slats disminuyen la velocidad de pérdida al aumentar el coeficiente de sustentación (flaps y slats) o aumentar el ángulo de ataque crítico (slats).

La velocidad de pérdida es menor con los flaps extendidos

Potencia del motor. Para la certificación de la aeronave, la velocidad de entrada en pérdida se mide con el motor a ralentí. Un incremento de potencia en una aeronave propulsada por hélice creará una corriente que incidirá sobre parte del ala. Este hecho retrasa la separación de la corriente sobre la parte superior del perfil aerodinámico, aumentando la sustentación disponible para un ángulo de ataque concreto, permitiendo volar a una velocidad inferior.

1.8.6   El factor de carga.

El factor de carga es la relación que existe entre la carga total soportada por las alas y el peso bruto del avión con su contenido (Carga soportada / Peso bruto del avión = Factor de Carga). Dado que la sustentación debe siempre contrarrestar el peso del aeroplano, se define también el factor de carga como la razón existente entre la fuerza de sustentación que se produce en una aeronave en vuelo y el peso de esta, es decir: factor de carga (n) = Sustentación (L) / Peso (W), n = L/W.

Como el peso se debe a la fuerza de la gravedad, el factor de carga se suele expresar en términos de relación con ella: en "g". Un “g” es una unidad de fuerza, igual a la ejercida por la gravedad en un cuerpo en reposo, e indica la fuerza a la que se somete un cuerpo cuando se acelera. Así un factor de carga de 3 "ges" significa que la carga sobre la estructura del avión es de 3 veces su peso actual. Por ejemplo: si el avión pesa 1000 kg. se está soportando una carga de 3000 kg. (1000*3=3000).

Este factor puede ser positivo o negativo. Es positivo (g positiva) cuando la fuerza es hacia abajo, y es negativo (g negativa) cuando es hacia arriba; en las g positivas el peso del piloto aumenta quedando "pegado" al asiento, mientras que en las g negativas el peso disminuye y el piloto "flota" en el asiento.

El factor de carga es importante por dos razones: Por la sobrecarga estructural impuesta a las alas, que pueden llegar a romperlas, y porque la velocidad de pérdida se incrementa en proporción al factor de carga.

Durante el vuelo, las alas del aeroplano deben soportar todo el peso de este; en la medida en que se mueva a una velocidad constante y en vuelo recto, la carga impuesta sobre las alas es constante (1g) y un cambio de velocidad en esta situación no produce cambios apreciables en el factor de carga. Pero si el cambio es de trayectoria, hay una carga adicional al peso del avión, más acusada si este cambio se hace a alta velocidad y bruscamente. Esta carga adicional se debe a la fuerza centrífuga, que es la fuerza de inercia que se manifiesta en todo cuerpo cuando se le obliga a variar de dirección (horizontal o vertical).

Por tanto, cualquier cambio de trayectoria del avión implica en mayor o menor medida una fuerza centrífuga que incrementa el factor de carga. Cualquier fuerza aplicada a un avión que lo saque de su trayectoria produce tensión sobre su estructura, el total del cual es el factor de carga.

El factor de carga

El factor de carga en vuelo recto. Si en vuelo recto y nivelado se tira bruscamente del volante o palanca de control hacia atrás, el avión se encabritará (morro hacia arriba) y entrará en una trayectoria de curva hacia arriba lo cual incrementa el factor de carga (g positiva). Si por el contrario se empuja repentina y bruscamente el volante de control, el avión picará (morro abajo) y entrará en una trayectoria que disminuye el factor de carga (g negativa).

El factor de carga en los virajes. En cualquier avión, a cualquier velocidad, si se mantiene una altitud constante durante un giro coordinado, el factor de carga para un determinado grado de alabeo es el mismo.

Factor de carga y velocidad de pérdida en virajes

Si el avión alcanza el ángulo de ataque crítico con un factor de carga superior a 1g, la velocidad de pérdida será mayor que con 1g y el mismo peso. La pérdida en este caso recibe el nombre de pérdida acelerada (accelerated stall) y es normalmente más pronunciada que un pérdida “normal”.

La figura anterior revela un factor importante en los virajes: el factor de carga se incrementa tremendamente a partir de un alabeo de 50º. Es importante recordar que las alas deben producir sustentación igual al factor de carga pues de otra manera sería imposible mantener la altitud.

Aunque un avión puede ser alabeado a 90º, un giro a altitud constante con esta inclinación es imposible matemáticamente para aviones convencionales. A algo más de 80º el factor de carga supera los 6 Gs que es generalmente el límite estructural en aviones diseñados para vuelo acrobático.

Para aviones convencionales ligeros el máximo alabeo en un giro a altura constante es de 60º. Un incremento de 10º supone 1 G de carga adicional, que pone al aeroplano muy cerca del punto de tensión que puede provocarle daños estructurales.

Factor de carga en turbulencias. Aunque los aviones están diseñados para soportar ráfagas de considerable intensidad, la aceleración impuesta por estas supone un incremento del factor de carga, particularmente sobre las alas. Este incremento es proporcional a la velocidad del avión. Por eso en condiciones de turbulencia moderada o extrema conviene reducir la velocidad del avión a la velocidad de maniobra especificada por el fabricante.

Relación entre el factor de carga y la pérdida. La velocidad de pérdida se incrementa en una proporción igual a la raíz cuadrada del factor de carga; es decir que, si un avión tiene una velocidad normal de pérdida de 50 nudos, entrará en pérdida a 100 nudos si se le aplica un factor de carga de 4g (50*√4=100). Por ejemplo, sabemos que en un giro de 60º el peso del avión se duplica (2g), y por tanto la velocidad necesaria para producir sustentación se multiplica por √2, es decir por 1.4142; si en vuelo normal el avión entra en pérdida a 65 nudos, en un giro de 60º entraría en pérdida a 92 nudos (65*1.4142).

El aumento de la velocidad de pérdida debe ser tenido muy en cuenta en maniobras donde el factor de carga sufre un gran incremento (giros cerrados, espirales, etc.). Por la misma razón, no debe hacerse tampoco una pérdida intencionada por encima de la velocidad recomendada, ni efectuar movimientos bruscos a alta velocidad, por ejemplo: levantar el morro de forma súbita.

Categorías. Todos los aeroplanos están diseñados cumpliendo unos requerimientos de esfuerzo, en función del uso que se vaya a hacer del mismo; la clasificación según estos requisitos se denomina categorías. Para obtener su certificación por las autoridades competentes, el esfuerzo estructural (factor de carga) debe ser conforme a los estándares prescritos. Las categorías y el máximo factor de carga para cada una de ellas son las siguientes (según la F.A.A):

Los valores superiores del factor de carga que puede soportar un aeroplano en operaciones normales y bajo diversas circunstancias se denominan ”límites de factores de carga” (limits load factors) y por razones de seguridad se requiere que en su diseño estos límites no supongan riesgo de daños estructurales al avión, es más, se suele exigir un factor de seguridad de 1.5 sobre esos límites.

1.8.7   Diseños que atenúan la pérdida.

Para mantener la capa laminar fluyendo sobre la superficie del ala tanto como sea posible, se ha desarrollado el tipo de ala de flujo laminar. Este diseño está relacionado con el punto de transición. El ala de flujo laminar es a veces más fina que una convencional, el borde de ataque es más puntiagudo y la sección más cercana al mismo simétrica, pero lo más importante de todo, el punto de máximo espesor está mucho más atrás que en un ala convencional lo mismo que también lo está el punto de transición a turbulencia. La distribución de presiones es mucho más uniforme y el flujo de aire es acelerado muy gradualmente desde el borde de ataque al punto de máximo espesor.

Curiosamente, a pesar de todas las posibles ventajas del perfil laminar en ahorro de combustible, velocidad, etc., en aviación comercial se suele optar por perfiles alares de flujo turbulento ya que, en este caso, la capa límite permanece adherida al perfil a mayores ángulos de ataque que la capa límite laminar, evitando así que el perfil entre en pérdida de manera brusca.

Perfiles de flujo laminar y flujo turbulento

No es deseable que el extremo del ala entre en pérdida lo primero, sobre todo si el extremo de un ala entra en pérdida antes que el otro, lo cual no es infrecuente. En un ala con buena característica de pérdida, la raíz (root), pegada al fuselaje, debe entrar en pérdida antes que el extremo. Este tipo de pérdida decrece la tendencia al alabeo, incrementa el control lateral en las cercanías de la pérdida y se consigue mantener la efectividad de los alerones y con ello la controlabilidad del avión.

Para conseguir este efecto, las alas se diseñan con ángulo de incidencia decreciente hacia los extremos ("torsión") , lo que retarda su entrada en pérdida con respecto a la raíz del ala, o insertando una tira ("strip") de metal en el borde de ataque más cercano a la raíz (en el 20-25% del ala), de forma que cuando se alcanza un determinado ángulo de ataque, la tira rompe el flujo de aire haciendo que la raíz entre en pérdida antes que el extremo del ala.

Ala diseñada con torsión Stall strips

Una buena característica es que al entrar en pérdida el morro caiga abajo, lo cual nos ayudará en la recuperación. La mayoría de los aviones de entrenamiento están diseñados con esta característica. Esta tendencia de morro abajo se consigue merced a un Centro de Presiones retrasado respecto al Centro de Gravedad y dando al estabilizador horizontal de cola un ángulo de incidencia mucho menor que a las alas (decalaje). De esta última manera cuando un excesivo ángulo de ataque deje a las alas sin sustentación suficiente, la cola sigue teniendo sustentación, haciendo que el avión caiga de morro y sea más fácil la recuperación de la pérdida.

Diseño para caida de morro en la pérdida

Además de la resistencia a la pérdida, en el diseño de las alas hay que tener también en cuenta el factor de carga a soportar, y llegar a un compromiso de manera que el ala entre en pérdida antes de que sobrepase el factor de carga máximo, puesto que es preferible tener un avión en pérdida (que es recuperable) que sin alas (que es irrecuperable).

Efecto de los flaps. Al extender los flaps se cambia la curvatura del perfil del ala lo cual produce unos efectos ya conocidos (Superficies de mando y control). Además, la parte del ala donde están instalados vuela con mayor ángulo de incidencia y por tanto con mayor ángulo de ataque que la parte del ala sin flaps. A consecuencia de esto, la sección del ala con flaps debe entrar en pérdida antes que el resto del ala. Esta es la razón por la cual los fabricantes colocan los flaps en la raíz del ala. Puede parecer paradójico, pero es 100% cierto que, aunque la sección de ala con flap es intrínsecamente más resistente a la pérdida, entrará en pérdida antes que el resto del ala.

1.8.8   Síntomas de pérdida inminente.

Ya se ha dicho que puesto que la gran mayoría de aviones no tienen ningún indicador que informe al piloto del ángulo de ataque, el indicador de velocidad es el que mejor información proporciona al respecto. Este indicador debe ser la primera guía para reconocer la posibilidad de entrada en pérdida. Pero, además, otros síntomas de que el avión está próximo a entrar en pérdida son:

Aleta y avisador de pérdida

Estos indicios se producen antes de la entrada efectiva en pérdida. Muchos perfiles entran en pérdida con un ángulo de ataque de 18-20º, de manera que los síntomas se producen alrededor de los 17-18º.

En el capítulo correspondiente de la sección de maniobras, se explica cómo practicar pérdidas y la recuperación de las mismas.

1.8.9   Situaciones frecuentes.

Hay tres situaciones de vuelo en la cual excederse del ángulo de ataque crítico es más frecuente: baja velocidad, alta velocidad y virajes.

Una forma de entrar en pérdida para un avión en vuelo recto y nivelado es con un vuelo muy lento: a medida que la velocidad disminuye se tiende a incrementar el ángulo de ataque para mantener la altitud; si seguimos bajando la velocidad tendremos que aumentar el ángulo de ataque y ello puede llevarnos a rebasar el AOA crítico y entrar en pérdida.

Ahora bien, para provocar una pérdida no es exclusivamente necesario volar a baja velocidad, el ala puede entrar en pérdida con cualquier velocidad, por ejemplo: el avión está en un descenso pronunciado y alta velocidad cuando el piloto tira del volante de control bruscamente hacia atrás; debido a las fuerzas centrifuga y de gravedad, el avión no puede cambiar su trayectoria inmediatamente y puesto que la trayectoria de vuelo de la aeronave en relación con el aire en que vuela determina la dirección del viento relativo, el ángulo de ataque se incrementa bruscamente y el avión alcanzaría el ángulo crítico a una velocidad mucho mayor que la velocidad de pérdida normal.

Del mismo modo, tal como hemos visto anteriormente, la velocidad de pérdida de un avión es mayor en un viraje que en vuelo recto y nivelado debido a que el ala debe producir suficiente sustentación adicional para contrarrestar la carga impuesta por la combinación de fuerza centrífuga y peso. Si hacemos el viraje cada vez más cerrado (por ejemplo, pasamos de 20º a 45º de alabeo) y para mantener al avión nivelado en vez de aumentar la velocidad aumentamos el ángulo de ataque, corremos el riesgo de sobrepasar el ángulo crítico y entrar en pérdida.

Notas:

Como hemos visto, en las tablas y gráficos de los manuales de operación, los fabricantes indican las velocidades de pérdida para un peso, configuración, y grados de alabeo (factor de carga) determinados. Sin embargo, a pesar de que la densidad del aire es un factor que afecta a la sustentación no se menciona en dichas tablas, y esto tiene una explicación.

Como veremos en el capítulo de instrumentación correspondiente, el indicador de velocidad es básicamente un medidor de presión. La presión que mueve la aguja de este indicador es la misma que la que mantiene las alas del avión en vuelo, es decir que este indicador no mide la velocidad del avión con respecto al suelo sino la velocidad aerodinámica (1/2dv²), así que la variación de densidad que afecta a la sustentación afecta por igual al indicador de velocidad. El indicador de velocidad nos está haciendo un favor al funcionar así, y a este respecto debemos confiar en él puesto que hace por nosotros las correcciones adecuadas debido a los cambios de densidad. De modo que cuando el fabricante especifica velocidades de pérdida ya tiene en cuenta este detalle, y se refiere a valores dados por la lectura de este instrumento (IAS=Indicated Airspeed).

Una condición interesante relativa al equilibrio de fuerzas es que cuando el aeroplano vuela con una actitud de morro arriba hay un componente vertical del empuje que contribuye a la sustentación y ayuda a soportar el peso del aeroplano. También contribuye el flujo de aire de la hélice sobre las alas. Por esta razón la velocidad de pérdida con motor es algo menor que sin motor.

Una entrada en pérdida a plena potencia es con frecuencia más violenta que a ralentí, debido a que el par del motor provoca alabeo y guiñada, provocando la etapa incipiente de una entrada en barrena.

Más información:

Para quien quiera profundizar un poco más en este tema, aquí dejo unos enlaces que pueden resultar de interés.

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