Conversión y gestión de energía en vuelo

Cuando comenzaba la aviación, allá por principios del siglo XX, se contaba esa anécdota de una madre preocupada porque su hijo quería hacerse piloto. Ante la insistencia del hijo y el temor a que se estrellara, a todo lo más que llegaba esta pobre madre preocupada era aconsejarle: "tu hijo mío, no hagas caso de lo que hagan los demás. Hazme caso a mi y vuela bajito y despacito no te vayas a hacer daño". Como hijo amantísimo siempre se  debe de hacer caso a una madre, pero en esta ocasión la buena señora no le dio un buen consejo a su hijo. Precisamente eso es lo peor que se puede hacer con un avión. Cualquier piloto intuye sin muchas complicaciones que la energía es la base del vuelo. La importancia de entender la transferencia de las energías disponibles es precisamente lo que hace de un piloto novel un piloto experimentado.

El piloto puede ver en sus instrumentos la velocidad y la altitud. También puede ver la cantidad de combustible  de la que dispone. La energía se gestiona a base de controlar dos cosas con los elevadores: velocidad y altitud. El empuje del avión sin embargo, no es parte del estado energético. La mala gestión de la energía de una aeronaves puede conducir a operaciones inseguras e ineficientes por ello es una de las cosas que más se practican en los centros de entrenamiento. Tal como se puede ver en el esquema que sigue, hay cuatro tipos de energía que son cruciales en los aviones, a saber:
  • energía potencial, que es proporcional a la altitud del avión;
  • energía cinética, que es proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica;
  • energía química almacenada en el combustible; y finalmente
  • la energía que queda en el aire cuando el avión pasa, y agita el aire y lo deja ligeramente más cálido.
Por supuesto, hay otros tipos de energía, pero las cuatro formas mencionadas anteriormente son las que los pilotos utilizan todo el tiempo, así que concentrémonos en ellas por el momento.





La energía tiene la notable propiedad de que no puede ser creada o destruida. La energía puede fluir de una región a otra, y se puede convertir de una forma a otra ...pero la cantidad de energía sigue siendo la misma. Esta regla (que los físicos llaman la ley de la conservación de la energía) no es una de las leyes de Newton; ni siquiera se conocía en los días de Newton. Los aviones convierten energía a medida que se mueven por el aire, utilizando la energía térmica producida por la quema de combustible y transformándola en lo esencial del vuelo: altitud (energía potencial) y velocidad (energía cinética). En el proceso de crear la "magia del vuelo", parte de la energía que se obtiene de quemar el combustible se pierde en el medio ambiente, generando un flujo continuo de energía dentro y fuera del avión.

La energía almacenada en el combustible se puede convertir en altitud; la altitud puede intercambiarse por velocidad; etcétera. La cantidad de energía no cambia. La energía simplemente se convierte de una forma a otra. Algunas de estas conversiones de energía son irreversibles, por ejemplo si hemos quemado combustible no podremos crearlo, es como si dijéramos una calle de sentido único; no podemos (desafortunadamente) operar el motor hacia atrás y reponer el suministro de combustible. De manera similar, cuando la energía se disipa por la resistencia al avance, normalmente no hay forma de que el avión vuelva a capturar esa energía.

La velocidad aerodinámica y la altitud juntas se llaman energía mecánica. La potencia del motor aumenta la energía mecánica, mientras que la disipación (resistencia al avance o drag) disminuye la energía mecánica. La velocidad aérea, la altitud y el combustible son formas de energía a bordo. Arrastra causa que la energía vaya por la borda, hacia la masa de aire. Lo que sigue es un compendio gráfico de los cambios de energía posibles en el vuelo en algunas maniobras.






















¿Como se gestiona todo esto desde el cockpit?

La velocidad y la altitud se pueden leer en el PFD. La energía almacenada en el combustible se transforma en empuje gracias al motor. Parte de la energía se pierde por la resistencia al avance, pero el resto está disponible para el piloto. Este gestiona las reserva de energía por medio de los controles de vuelo. Los elevadores hacen las veces de válvula de intercambio.


Evidentemente la energía no es ilimitada. Existen varios puntos a tener en cuenta. Los límites de lo posible los marca la relación Empuje/Resistencia con respecto a la velocidad. Debajo se puede ver un gráfico muy ilustrativo de esta relación y sus implicaciones para el piloto.

Cuanta más velocidad tenemos también generamos más resistencia al avance, por ello la curva sube hacia la derecha, pero si volamos muy lento la curva también sube hacia izquierda porque necesitaremos más ángulo de ataque para mantener la sustentación. El punto de menor empuje/resistencia es el llamado "Green Dot" o velocidad donde existe la mejor relación L/D (Sustentación/Resistencia). En los aviones comerciales no se debe de volar por debajo de esta velocidad, pues el avión genera más resistencia y además estamos muy cerca de la pérdida.

Los límites se muestran también en el PFD al piloto. La parte superior es el llamado "Barber's Pole" o límite de sobrevelocidad. El límite inferior se suele conocer como "Low speed awareness tape". Algunos aviones modernos están diseñados para no sobrepasar nunca estos límites.

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