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. 


 Pero ahora, las cosas se pueden volver algo confusas porque no solo se puede mover el avión a través del aire, sino que el aire mismo también puede moverse. Para definir adecuadamente la velocidad relativa, es necesario elegir un punto de referencia fijo y medir las velocidades relativas al punto fijo. En el dibujo que sigue, el punto de referencia se fija al suelo, pero podría fácilmente fijarse en la propia aeronave. Es importante comprender las relaciones de la velocidad del viento con la velocidad de avance del avión en la masa de aire y la velocidad de la propia masa de aire.


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. 

* Esnafrar (esnafrarse). Verbo totalmente inventado (que utilizo mucho porque me hace mucha gracia) que denota claramente lo que le ocurre a uno cuando se da un golpe o se cae o se estrella. Pues eso, que se esnafra. :D

Comentarios

Entradas populares de este blog

Neumáticos de avión: mucho más que caucho

Mirage F-1 (recuerdos de Gando)

Aviones poco conocidos: El N-20.2 Arbatele y el N-20 Aiguillon