Velocidades relativas y puntos de referencia
La
velocidad relativa entre el avión en vuelo y la tierra u otros sistemas de
referencia es muy importante para entender la navegación y la planificación del
vuelo, el cálculo de combustible y un largo etc. De una forma muy simple,
cuando el avión vuela, lo hace porque el aire que pasa sobre sus superficies y
estas generan sustentación. La sustentación (lift) generada por las alas
depende del ángulo de ataque, de la densidad del aire, de la superficie del ala
y también del cuadrado de la velocidad entre el avión y el aire,
tal como se muestra en la ecuación que sigue. Si consideramos que la densidad,
el ángulo de ataque y el ala no varía (son constantes), todo depende de la
velocidad al cuadrado.
Refiriéndonos a
esta imagen, en la que la masa de aire se mueve en la misma dirección que
nuestro avión, vamos a establecer entonces varias definiciones.
Velocidad
del avión = velocidad sobre tierra - velocidad del viento
Velocidad
del viento
Para
un punto de referencia elegido en el suelo, el aire se mueve en relación con el
punto de referencia a la velocidad del viento. Obsérvese que la velocidad del
viento es una cantidad vectorial y tiene una magnitud y una dirección. La
dirección es importante. Un viento de 20 km/h del oeste es diferente de un
viento de 20 km/h del este. El viento tiene componentes en las tres direcciones
principales (norte-sur, este-oeste y arriba-abajo). En esta figura,
consideramos solo las velocidades a lo largo de la trayectoria de vuelo del
avión. Una velocidad positiva se define en la dirección del movimiento de la
aeronave. Por simplificación, aquí no tenemos en cuenta los vientos cruzados,
que ocurren perpendicularmente a la ruta de vuelo y que son paralelos al suelo,
y también despreciamos las corrientes ascendentes y descendentes, que ocurren
perpendicularmente al suelo.
Velocidad
sobre el suelo
Si
consideramos un punto de referencia en el suelo, la aeronave se mueve en
relación a ese punto de referencia en el suelo. Esta es la llamada velocidad
sobre el suelo (ground speed), que también es una cantidad vectorial, por lo
que debe hacerse una comparación de la velocidad sobre el suelo con la
velocidad del viento de acuerdo con las reglas que rigen para los vectores.
Velocidad
aerodinámica
La
sustentación es la que se genera debido a la velocidad del aire relativo al
ala. Se denomina velocidad del aire indicada o velocidad aerodinámica. Esta
velocidad no puede medirse directamente desde una posición en tierra, sino que
debe calcularse a partir de la velocidad de tierra y la velocidad del viento.
La velocidad aerodinámica es la diferencia vectorial entre la velocidad de
avance y la velocidad del viento. Es la que puede leerse en nuestro anemómetro
gracias a los sensores del avión (pitot y estática).
Velocidad
del avión = Velocidad sobre tierra - Velocidad del viento
En
un día perfectamente tranquilo (sin aire), la velocidad del avión (velocidad
aerodinámica) es igual a la velocidad sobre tierra. Pero si el viento sopla en
la misma dirección en que se mueve la aeronave, la velocidad del avión será
menor que la velocidad sobre tierra.
Ejemplos
Supongamos
que tenemos un avión que podría despegar en un día sin viento a 100 km/h (la
velocidad de despegue es de 100 km/h). Estamos en un aeropuerto con una pista
este-oeste de 2km de largo. El viento sopla 20 km/h hacia el oeste y el avión
despega hacia el este. El viento sopla hacia el avión y esto es lo que llamamos
viento en contra. Como hemos definido una velocidad positiva en la dirección del
movimiento de la aeronave, un viento de frente es una velocidad negativa.
Mientras el avión está parado en la pista, tiene una velocidad sobre tierra de
0 km/h y una velocidad aerodinámica de 20 km/h:
Velocidad
del avión = Velocidad sobre tierra (0) - Velocidad del viento (-20) = 20 km/h
El
avión comienza su despegue y tiene una aceleración constante a. Según la
segunda ley de movimiento de Newton, la velocidad de avance V en cualquier
momento t es:
V
= a * t
y
la distancia d por la pista en cualquier momento es:
d
= 1/2 * a * t ^ 2
Para
una pista de longitud fija, esto especifica el tiempo que se utilizará en la
ecuación de velocidad. Supongamos que, a 1500 metros por la pista, la velocidad
ya es de 80 km/h. Entonces la velocidad del avión viene dada por
Velocidad
del avión = Velocidad sobre tierra (80) - Velocidad del viento (-20) = 100 mph
Y
el avión comienza a volar. Ahora otro piloto, con exactamente el mismo avión,
decide despegar hacia el oeste. El viento ahora está en la misma dirección que
el movimiento y esto se llama viento de cola. El signo de la velocidad del
viento ahora es positivo, no negativo como ocurría con el viento en contra. La
aceleración a lo largo del suelo es la misma, por lo que, a 1500 metros por la
pista, la velocidad de avance es nuevamente 80 km/h. La velocidad del avión
viene dada entonces por:
Velocidad
del avión = Velocidad sobre tierra (80) - Velocidad del viento (20) = 60 km/h
Este
avión no tiene suficiente velocidad para volar, ...y lo que es peor: ¡Se
nos acaba la pista y nos podemos "esnafrar*"! Por eso la
importancia de comprender la velocidad relativa.
La
importancia de la velocidad relativa explica por qué los aviones despegan y
aterrizan en diferentes pistas en diferentes días. Los aviones siempre intentan
despegar y aterrizar contra el viento. Esto requiere una velocidad sobre tierra
más baja para volar, lo que significa que el avión puede despegar o aterrizar
en una distancia más corta sobre el suelo. Como las pistas tienen una longitud
fija, lo que se intenta siempre es despegar lo más rápido posible y parar lo
antes posible al aterrizar. Los portaviones aproan hacia el viento y establecen
una velocidad de navegación muy alta antes de ordenar los despegues. De esta
forma se obtienen las velocidades del portaviones, la del viento en contra y la
del propio avión catapultado sobre la cubierta. En los viejos tiempos, se solía
colgar un gran "calcetín" llamado manga del viento cerca de la pista
para que los pilotos vieran en qué dirección soplaba el viento y así poder
ajustar su despegue y aterrizaje en distintas direcciones. Ahora tenemos
dispositivos mecánicos o electrónicos que proporcionan la información que se
envía por radio a la cabina.
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