Principios de vuelo (II): El medio aéreo

Para estudiar los principios del vuelo, primero es necesario comprender el medio en el que se realiza.

La atmósfera

La atmósfera es una región de aire que rodea la tierra hasta una altura de aproximadamente 900 Km. El aire es una mezcla de gases, los principales son oxígeno 21% y nitrógeno 78% en volumen. Hasta una altura de 11 Km, el vapor de agua también se encuentra en cantidades variables. La cantidad real de vapor de agua en una masa dada de aire depende de la temperatura y de si el aire ha pasado recientemente sobre una gran área con agua. En general, cuanto más alta es la temperatura, mayor es la cantidad de vapor de agua que puede contener una masa de aire determinada. El aire tiene peso y también es compresible. Su presión, densidad y temperatura disminuyen al aumentar la altitud. Se deduce que, dado que un avión necesita del aire para mantener el vuelo, cualquier cambio en la presión, densidad y temperatura afectará la cantidad de energía que el avión puede extraer del aire.

¿Cuál es el efecto de la presión atmosférica?

Es importante entender las variaciones de presión a medida que cambia la altitud, tomemos un momento para explicar lo que sucede en los 3 orificios de la botella que se puede ver debajo. Este sencillo experimento clarifica que cuanto más alto subimos menos presión encontramos. Un litro de agua tiene una masa de aproximadamente 1 Kg o un peso de 9,8 Newtons. Un litro de aire tiene una masa aproximada de 1,3 gr, por lo tanto su peso es 0,013 N (aproximadamente 800 veces menos que el agua). La masa atmosférica = 5,1 x 1014 toneladas métricas.

La medición de la presión atmosférica fue una tarea importante. Evangelista Torricelli consiguió medirla a base de mercurio. Inventó el primer barómetro de mercurio. Un altímetro no es otra cosa que un barómetro calibrado en pies o metros. 

¿Por qué 1013 milibares?

La presión es función de la altura, la densidad y la gravedad. Ver dibujo debajo.

Ley universal de los gases

La relación entre presión, densidad y temperatura es la siguiente: P/ρT =  constante, Donde:

P = Presión (N/m²),

T = Temperatura Absoluta (K),

ρ = Densidad o masa por unidad de volumen (kg/m3)

Cabe señalar que esta ecuación solo se aplica a un gas perfecto cuando una masa dada ocupa un volumen determinado y se conoce como la Ley Universal de los Gases. A partir de esta ecuación es posible establecer cómo la densidad y la temperatura afectan a la densidad.

Cuando tratamos con la densidad del aire dentro de un contexto en el que se vuela a baja velocidad, tenemos que hacer algunas suposiciones, entre ellas que la densidad del aire pueda llegar a ser constante o que el aire sea incompresible (por lo tanto, lo tratamos como fluido), y para nuestros cálculos eso será correcto si el vuelo se realiza a menos de 300 nudos o MACH número 0.4, en esas condiciones los cambios de densidad son cada vez más grandes e importantes para que no se tengan en cuenta. Se asumirá entonces que el aire es compresible o tendrá una densidad variable.

Efecto de la presión sobre la densidad

Como el aire es un gas, puede comprimirse o expandirse fácilmente. Cuando se comprime el aire, el número o la masa de las moléculas en un volumen dado aumenta y la densidad aumenta. A la inversa, a medida que se expande el aire, el volumen original contendrá menos moléculas y la densidad se reducirá. Por lo tanto, la densidad es directamente proporcional a la presión, es decir, si la presión se duplica, entonces la densidad también se duplica. Esta afirmación solo es cierta si la temperatura permanece constante.

Densidad ∝ Presión

Efecto de la temperatura sobre la densidad

A medida que el aire se calienta, las moléculas tienden a acelerarse y aumentar el espacio entre ellas. Por lo tanto, un volumen dado contendrá menos moléculas y la densidad del aire disminuirá. A la inversa, a medida que se enfría el aire, el grado de movimiento molecular disminuirá y el volumen dado ahora contendrá un mayor número de moléculas, por lo que la densidad aumentará. Por lo tanto, la densidad del aire es inversamente proporcional a la temperatura, es decir, si la temperatura se duplica, la densidad se reducirá a la mitad. Esta afirmación solo es cierta si la presión permanece constante.

Densidad ∝ 1/Temperatura

Efecto de la altitud en la densidad

Con el aumento de la altitud, la presión y la temperatura disminuyen. Como se indicó anteriormente, la caída en la temperatura causará un aumento en la densidad, mientras que la caída en la presión causará una disminución en la densidad. Por lo tanto, estos factores actúan en oposición entre sí, pero la presión tiene una influencia dominante sobre la densidad. En consecuencia, la presión, la temperatura y la densidad disminuyen al aumentar la altitud.

Efecto de la humedad en la densidad

Se ha asumido que el aire está perfectamente seco. De hecho, siempre hay una cierta cantidad de vapor de agua en la atmósfera que varía de un lugar a otro y de un día a otro. Cuando el vapor de agua está presente en el aire, afecta a su densidad porque es menos denso que el aire seco y, por lo tanto, más liviano. La densidad del vapor de agua en condiciones estándar al nivel del mar es de 0,760 kg/m3, mientras que la densidad del aire seco es de 1,225 kg/m3. El vapor de agua por lo tanto pesa unos 5/8 del aire seco. Esto significa que, para un volumen dado, el aire es menos denso cuando contiene una cantidad máxima de vapor de agua y más denso cuando está perfectamente seco. La humedad por lo tanto afectará negativamente el rendimiento del avión.

La Atmósfera Estándar Internacional

Para comparar el desempeño de la aeronave y calibrar los instrumentos de la aeronave, es necesario tener una Atmósfera Estándar acordada internacionalmente que cubra la temperatura, presión y densidad para altitudes variables. El International Standard Atmosphere (ISA), parte de la cual se muestra a continuación, está establecido por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI).

Para saber más sobre la atmósfera estándar se puede ver el artículo dedicado al tema aquí.

---------------------- Preguntas de repaso------------------------

1. –El efecto de la humedad en el aire seco es:

a) una reducción de la densidad

b) un aumento de la densidad

c) no tienen efecto sobre la densidad

d) un aumento de la presión

2. –El efecto de la alta temperatura en la densidad y la capacidad de sustentación es:

a) disminuye la densidad y aumenta la sustentación

b) aumenta la densidad y aumenta la sustentación

c) disminuye la densidad y disminuye la sustentación

d) aumenta la densidad y disminuye la sustentación

3.- Los valores de presión, temperatura y densidad ISA son:

a) 1013,25 mb, 15º C y 760 mm Hg

b) 1013,25 Hg, 15º F y 101325 hpa

c) 1013,25 mb, 15º C y 1,225 Kg/m3

d) 1013,25 mb, 59ª F y 1,225 Kg/m3

4.- La unidad de densidad es:

a) Kg/m3

b) psi

c) Kg/cm2

d) Bar