Lecciones de navegación: la brújula

El indicador de rumbos de lectura directa de los aviones (también conocido como brújula de emergencia o brújula a secas) es una simple brújula independiente que funciona de forma autónoma con la influencia del campo magnético de la Tierra. Normalmente se suele montar en la cabina entre los dos pilotos, en la parte superior del panel de instrumentos, lejos de las influencias magnéticas del avión. En esta posición además el instrumento es fácil de leer por ambos pilotos. Por supuesto desde el asiento de ambos pilotos existe un pequeño error de paralaje.

La brújula indicadora directa es un dispositivo que busca el norte; es decir, tiene la importante capacidad de encontrar su propio dato (norte magnético). Sin embargo, es una referencia inestable y es difícil usar con precisión en pleno vuelo.

Construcción

El principio de la brújula de un avión es similar a la de cualquier otra brújula magnética. Es importante recordar que la aguja de la brújula es en este caso un "sistema de detección pivotando en un punto". Esta es la referencia. Esta especie de tarjeta o cinta con rumbos montados de forma vertical idealmente permanece de forma estacionaria, manteniendo la alineación con el magnetismo terrestre y apuntando al Norte. Es la carcasa del instrumento en la que está marcada la línea de lectura (llamada "lubber line" en inglés), la que gira sobre el sistema imán/cinta de rumbos vertical.

Requisitos de una brújula para avión

La brújula de lectura directa consiste esencialmente en un imán pivotante capaz de alinearse y permanecer alineado con el componente horizontal del campo magnético de la Tierra. Para que la brújula pueda operar de manera eficiente, se deben cumplir ciertos requisitos. Los más importantes son aquellos que permitan que el imán interno sea de buena calidad. Este imán debe diseñarse de forma conveniente para que sea:

(a) Horizontal

(b) Sensible, y 

(c) Aperiodico

Resumen de las características de diseño

• Horizontalidad: Se consigue con un punto alto de pivote y un bajo Centro de Gravedad.
• Sensibilidad: Se consigue por medio de múltiples imanes (intensidad de campo mejorada) y inmersión líquida (fricción reducida) 
• Aperiodicidad: Se consigue gracias al uso de imanes cortos (ensamblados cerca del centro), con bajo peso. El líquido interactúa con el montaje disminuyendo las oscilaciones.

(a) Horizontalidad

Para medir la dirección en la horizontal, los imanes (normalmente dos o cuatro) debe estar tan cerca como sea posible en el plano horizontal durante el vuelo recto y nivelado. Un conjunto compuesto por algún imán libremente suspendido se alinearía con el campo total de la tierra, así que los imanes solo serían horizontales en el ecuador magnético. Conseguir la horizontalidad en la mayoría de latitudes pasa por suspender el conjunto del imán pendularmente, esto es, el centro de la gravedad de este conjunto se encuentra siempre más bajo que el punto de pivote del soporte. 

De esta manera, el efecto de inclinación (dip en inglés) causado por la componente vertical del campo de la Tierra se compensa por el peso del conjunto del imán. Este equilibrio se logra solo parcialmente pues siempre existe una ligera inclinación residual. El imán interior siempre busca el Norte y por ello apuntará algo hacia abajo, aproximadamente 2° en latitudes medias en el hemisferio norte. En el Hemisferio sur, Es la parte que busca el Norte la que se encuentra apuntando hacia arriba. 

(b) Sensibilidad

El sistema de detección de la brújula responde al componente horizontal del campo de la Tierra en todas las áreas excepto cerca de los polos magnéticos donde el componente horizontal es totalmente inadecuado (zona o área de 6 microteslas). La sensibilidad de la brújula, por lo tanto, depende de la fuerza de la campo externo y en el momento magnético del imán. El momento magnético a su vez depende de la longitud del imán y la fuerza de atracción de sus polos. La fuerza de los polos se incrementa usando dos, cuatro o seis imanes cortos hechos de una aleación capaz de aceptar y mantener un alto grado de magnetismo. La fricción se reduce al usar un punto de pivote con elementos de relojería y sumergiendo en un líquido, como un aceite claro de poca densidad.

(c) Aperiodicidad

Se requiere que todo el ensamblaje o conjunto magnético sea aperiódico (o "dead-beat" en inglés) lo que significa que una vez perturbado, por una turbulencia o por alguna maniobra, por poner un par de ejemplos, debería restablecerse de nuevo con pocas oscilaciones indicando otra vez el Norte. Cualquier tendencia a oscilar debe ser rápidamente amortiguada. La aperiodicidad deseada se logra de la siguiente manera: 

- Se usan varios imanes cortos en lugar de uno más largo. Esto mantiene la masa del conjunto cerca del centro, reduciendo así el momento de inercia y por lo tanto, hacer que cualquier oscilación se  mucho más fácil de amortiguar. El conjunto de detección se construye de una aleación ligera, esto también reduce los efectos de la inercia. 

- Todo el conjunto está sumergido en un líquido que tiene un efecto de amortiguación natural debido a la viscosidad. En algunos modelos de brújulas se utilizan también una especie de pequeños filamentos de amortiguación adicionales que se instalan en el conjunto para interactuar con el líquido. No todo es perfecto, el uso de este líquido causa otros problemas. Existen errores precisamente cuando se efectúan virajes sostenidos como resultado del efecto remolino del líquido. Durante un giro, el líquido en contacto con el interior del recipiente tiende a ser arrastrado con él, produciendo así pequeños remolinos que tienden a desplazarse hacia adentro y desvían el conjunto de imán moviéndolo en la dirección de giro. Este efecto se debe a la viscosidad, por lo que el líquido elegido debe tener una baja viscosidad para minimizar el error debido al efecto remolino.

Las principales propiedades requeridas para un líquido de brújula se enumeran a continuación:

• Bajo coeficiente de expansión.
• Baja viscosidad.
• Transparencia.
• Punto de congelación bajo.
• Alto punto de ebullición.
• No corrosivo.
• Buena lubricación

Errores (viraje y aceleración)

La brújula se ha construido con un sistema de suspensión pendular (punto de pivote alto) para lograr lo más posible la horizontalidad. Sin embargo, cuando la latitud aumenta, el 'dip' o inclinación tiene un efecto creciente y esto causa una desalineación entre el punto de pivote y el centro de gravedad del conjunto.

Cuando la brújula se ve desde arriba, se aprecia como el punto de pivote y el centro de gravedad están desplazados. Hay que tener en cuenta que independientemente del hemisferio en el que volemos, el centro de gravedad siempre estará desplazado hacia el ecuador magnético. Ver diagrama debajo.

Errores de aceleración

Al acelerar hacia el ESTE o el OESTE, el desplazamiento del pivote y el centro de gravedad (CG) hace que haya un momento o tendencia a girar entre el vector de la aceleración que actúa a través del pivote y el retraso (inercia) que actúa a través de la CG. Esto dará lugar a lecturas erróneas según sea la maniobra (aceleración/deceleración) y el hemisferio donde nos encontremos. Ver dibujos debajo.

En resumen, en el hemisferio Norte:

NOTA :

1. No hay error de aceleración cuando se vuela en dirección NORTE o SUR, ya que el pivote y el C de G están en línea (no existe par).

2. La cantidad de error de aceleración depende principalmente de: 

• (a) el rumbo del avión,
• (b) la magnitud de la aceleración y
• (c) la latitud magnética.

3. Los errores son máximos cerca de los polos magnéticos, disminuyendo a cero en el ecuador magnético.

4. La dirección de los errores es opuesta en el hemisferio norte y sur.

5. La desaceleración tiene el efecto opuesto a la aceleración. Por ejemplo, desaceleración

en el hemisferio norte causa un giro aparente hacia el sur.

Errores de viraje

La brújula se basa en la suposición de que el conjunto pendulante que contiene el imán siempre permanece alineado con el meridiano magnético. La brújula aparenta girar enfrente de nosotros, pero en realidad somos nosotros (nuestro avión) los que giramos alrededor de la cinta de rumbos. Dicha cinta no se mueve en acimut aunque lo parezca. Los cambios de rumbo deben leerse únicamente en la línea del cristal de visualización que está montado en el propio instrumento.

Hemos visto cómo los errores de aceleración causan la rotación de la cinta y los rumbos de la brújula dando como resultado indicaciones erróneas del rumbo que tenemos. Los errores de viraje tienen el mismo efecto, aunque las causas son más complejas y los errores suelen ser mayores.

Al igual que el error de aceleración, la causa principal del error de giro es el desplazamiento del centro de masa (CG) del conjunto con respecto al punto de pivote. Cuando el avión gira, la fuerza centrípeta que tira del ensamblaje de la cinta de rumbos alrededor de la trayectoria curva, actúa a través del pivote. La reacción a esta fuerza de giro (la fuerza centrífuga -o inercia- de la cinta de rumbos) actúa través de su centro de masa y como este no está alineado con el pivote, ocurre un momento que tiende a rotar la cinta sobre el pivote.

Además, en vuelo nivelado, el componente vertical del campo de la tierra tiende a inclinar la tarjeta ligeramente (buscando el norte en el hemisferio norte), como se describió anteriormente. Sin embargo, en un viraje coordinado, la cinta de la brújula se mueve desde la horizontal a través de un ángulo igual al ángulo de inclinación del avión, permitiendo que la fuerza magnética que tira de la parte que busca el Norte apunte hacia abajo y cree un par de giro en el pivote. Esto a su vez causa más rotación de la cinta que se aparta y da una lectura muy lejos del meridiano magnético donde se encuentra.

Finalmente, en un giro prolongado, el líquido dentro del instrumento del compás tiende a girar en la misma dirección del giro, y arrastra al conjunto cinta/imán con él. Esto se conoce como "efecto remolino".

Los efectos de combinar las diversas fuentes de error pueden ser aditivos, o pueden tender a cancelar uno a otro, dependiendo de las circunstancias particulares. Existen una gran cantidad de variables involucradas, por ejemplo:

• rumbo instantáneo,
• tasa de giro y su duración,
• ángulo de alabeo
• hemisferio y ángulo de inclinación (dip) local,
• características de la brújula particular

Es difícil estimar la magnitud de los errores de viraje. Sin embargo, al considerar maniobras relativamente suaves en aviones ligeros en latitudes bajas a medias, los efectos de las fuerza centrípetas tienden a dominar y el error es razonablemente predecible. Estos se consideran en más detalle en los párrafos siguientes.

Considere un viraje hacia el SUR en el Hemisferio Sur

Y ahora considere un viraje hacia el Norte en el hemisferio Norte

Al virar hacia el norte, el par producido hace girar la cinta de forma opuesta al viraje. El giro de la cinta parece más rápido de lo que realmente es y la cinta tiende ir más rápido que el rumbo real del avión causando lo que se conoce en inglés como "Over-read" (más lectura -más rumbo- del real). Durante un viraje hacia el norte o hacia el sur, el par se maximiza. En el hemisferio Norte, la cinta se mueve en la misma dirección que el viraje cuando se efectúa hacia el norte. La cinta se mueve en sentido opuesto al viraje cuando cuando se efectúa hacia el Sur. 

Consecuentemente - En el hemisferio norte: hay que nivela antes de la indicación en los virajes al norte (Undershoot) y hay que nivelar el avión después de la indicación en los virajes hacia el Sur (Overshoot). 

Regla: UNOS (Undershoot North Overshoot South).

Aplicación: cuando se efectúa una corrección por error de viraje, se debe considerar la velocidad del viraje y la cantidad de grados de rumbo que se cambia hacia el norte o hacia el sur. La corrección normalmente aplicada es de 15 a 30 °.

Por todo lo expuesto más arriba, se entiende que es difícil lograr un buen viraje solo base de brújula y si hay un indicador de giro disponible, un "Turn Coordinator", es mejor cronometrar el tiempo de giro a una tasa de 3 ° por segundo. Esta técnica es mucho más eficiente.

Similar al error de aceleración, la magnitud del error de viraje depende principalmente de:

• cambio de rumbo a través del cual se realiza el giro.
• tasa de cambio de rumbo
• latitud magnética

Los errores de viraje suelen ser más importantes que los errores de aceleración para los siguientes razones :

• Son intrínsecamente de mayor magnitud debido a un mayor desplazamiento del conjunto del imán/cinta. 
• Los virajes ocurren más a menudo y es probable que sean más prolongados que las aceleraciones lineales.

La teoría básica de los errores de viraje es muy similar a la de los errores de aceleración. Eso ayuda a recordar que el sistema imán/cinta actúa como un péndulo. En un viraje, el péndulo se balancea hacia afuera para adoptar una posición determinada por la velocidad del avión y su tasa de cambio de rumbo. En ese momento, ya no se encuentra en la vertical verdadera, sino que está alineado más o menos con el vertical del avión (alineado con precisión en un giro coordinado, el sistema imán/cinta adopta el mismo ángulo de alabeo que la aeronave). Tan pronto como el eje de rotación del conjunto se posiciona fuera del plano vertical del pivote, existe un momento sobre este eje y el conjunto gira causando un error de viraje.

Resumen

Los errores de viraje pueden ser bastante complejos ya que la velocidad del viraje y la latitud (dip) son factore significativos. En el hemisferio norte, al virar hacia el Norte, parece que la brújula es más insensible (parece lenta). El piloto necesita nivelar el viraje unos 15 a 30° antes de que se alcance el rumbo deseado. Lo opuesto es aplicable para los virajes hacia el Sur. La brújula parece más viva o sensible y el piloto debe detener el viraje (nivelar las alas) 15-30° después de alcanzar el rumbo deseado. El único error que ocurre en el ecuador magnético es debido al efecto remolino creado por el líquido y este error es generalmente muy pequeño. 

Conclusión

Estos errores de la brújula propiciaron el desarrollo del llamado Giróscopo Direccional, un instrumento que proporciona indicaciones estables durante los virajes, turbulencias y aceleraciones lineales El DG (como se conoce en inglés a este giròscopo), no tiene capacidad de detección magnética y está sujeto a la deriva giroscópica (drift). Siempre se utiliza conjuntamente con la brújula magnética con la que debe estar regularmente sincronizado. Los dos instrumentos son por lo tanto complementarios, la brújula se utiliza para obtener una referencia estable y corregir las indicaciones giroscópicas afectadas por deriva o drift. los Brújula Indicadora Remota es una combinación de estos dos instrumentos, proporcionando sincronización automática y las ventajas de ambos instrumentos.

Precauciones

Mantenga el material magnético alejado de la brújula para evitar el riesgo de interferencia con el conjunto de detección magnética.

Mantenimiento de la brújula

• Vidrio limpio.
• Fluido sin decoloración.
• No se aprecian burbujas.
• Indicaciones dentro de más menos 5° de un rumbo conocido (por ejemplo, dirección de la pista).