Ley de la conservación de la energía: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Energía potencial (EP): Energía mecánica asociada a un cuerpo dentro de un campo de fuerzas (por ejemplo el campo de gravedad). Esta energía es "guardada" en un estado estático. EJM: aeronave a 41000 pies de altura, tiene energía potencial "disponible" en forma de altitud. Si aumento la altitud, aumenta la energía potencial, si disminuyo la altitud, disminuye la energía potencial.
Energía cinética (EK): La energía que tiene un cuerpo debido a su movimiento relativo. Es inherente a la masa y la velocidad del cuerpo. EJM: aeronave de 235000 libras viajando a 425 nudos. Si disminuyo la velocidad, disminuye la energía cinética, si aumenta la velocidad, aumenta la energía cinética.
Energía total (ET): La suma de la energía potencial y la energía cinética. ET = EP + EK. Unificando los dos ejemplos anteriores, la energía total sería combinar la energía potencial disponible gracias a la altitud de la aeronave, además de la energía cinética disponible gracias al peso y velocidad.
Cómo puedo relacionar esto con el vuelo?
Supongamos que los siguientes situaciones ocurren sin cambios en la configuración de la aeronave y la potencia de los motoroes (o sea considerando estríctamente cero cambios en el sistema, excepto solo cambios en altitud y velocidad):
1. Se inicia el descenso, disminuye la energía potencial porque disminuye la altitud, pero la energía cinética aumenta porque aumenta la velocidad de la aeronave, y se mantiene la igualdad de la fórmula donde ET = EP + EK. En otras palabras, gracias a la energía potencial que había disponible, se pudo intercambiar esa energía potencial, para aumentar la energía cinética.
2. Si por el contrario se inicia un ascenso, entonces la velocidad diminuye y la altitud aumenta, esto se traduce a una disminución en la energía cinética, y un aumento en la energía potencial. ET = EP + EK. En otras palabras, se intercambió exceso de energía cinética disponible, para poder obtener una ganancia en energía potencial (altitud).
Para qué sirve conocer este concepto?
Para mejorar el planeamiento del vuelo, el rendimiento del combustible, aumentar o disminuir los parámetros de velocidad, régimen de ascenso y descenso, endurance, etc.
Un ejemplo muy práctico es el patrón de tráfico y aproximación a aterrizaje. Si entiendes la relación entre la energía, la altitud y la velocidad, puede volar un mejor patrón de tráfico suave, anticipando los siguientes pasos a seguir, y obtener el mejor desempeño de la aeronave en cualquier momento, incluyendo disminuir velocidad, disminuir altitud, cambios de altitud, idas al aire, etc.
Cuáles instrumentos nos ayudan con la energía cinética y potencial?
El indicador de velocidad del aire, mide básicamente la presión de impacto del aire en el tubo pitot, o sea que mide aire en movimiento, lo que significa que mide energía cinética.
El altímetro se alimenta de la toma estática, que mide una presión de aire que no está en movimiento, por lo tanto el altímetro es el que mide la energía potencial.
Referencias:
1. The pilots manual: Airline Transport pilot. M. Dusenbury
Información general, fotos y explicaciones de cómo vuelan las aves.
Similitudes entre aves y aeronaves para lograr el vuelo.
Para comprender este blog, es gran ayuda conocer un poco acerca de aerodinámica básica. Te recomendamos dar un vistaso a los siguientes links si necesitas un repaso de los conceptos básicos:
Los humanos tenemos muy poco tiempo desde que logramos el vuelo. Los primeros pasos en estudios acerca del vuelo de las aves, y sus aplicaciones para crear aparatos voladores iniciaron a finales del siglo XIX por Otto Lilienthal, quién logró un vuelo en un aparato comandado por un humano. El se basó en parte en sus propios estudios de las aves, así como en los estudios de Horacio Phillips, quién en 1884 ya había comprendido y patentado la aerodinámica de superficies curvas. Los Hermanos Wright en el año 1904 utilizaron toda este nuevo conocimiento para lograr el primer vuelo de una máquina más pesada que el aire, con motores y tripulada por un hombre. Su diseño de alas fijas y rígidas se ha mantenido hasta el día de hoy. Cuánto ha avanzado la aviación en tan pocos años?
Pasamos de aviones de papel y de tela, que llevaban a una o dos personas sobre amplias planicies y bosques, expuestas al viento, el sol y la lluvia; a aeronaves de metal y materiales compuestos, que superan fácilmente la velocidad del sonido, alcanzan los límites de la atmósfera, o pueden trasladar a cientos de personas entre continentes alejados. Creen que hemos alcanzado la máxima habilidad de vuelo? Creen que superamos lo que la naturaleza ha desarrollado a través de miles de años de evolución? Los invito a explorar las siguientes líneas, y saquen sus propias conclusiones!
Plumas de las aves y su función
Al igual que las aeronaves, las aves deben generar sustentación y empuje. El empuje lo logran durante el aleteo hacia abajo. La sustentación la genera el área del ala más cercana al cuerpo, compuesta por las plumas secundarias. La parte del ala que está más cercana al cuerpo, casi no se mueve durante el aleteo. Esto le da la función de una superficie aerodinámica fija (al igual que las alas de un avión), y así la sustentación no deja de existir entre fases del aleteo del ave.
Figura: plumas de vuelo. Dvooak R.
Diagrama de la sustentación aplicada al ala de un ave.Hugues Beaufre`re, A Review of Biomechanic and Aerodynamic Considerations of the avian thoracic limb.
Las plumas primarias son las más grandes y largas, y están conectadas a los dedos del ave. Una característica interesante, es que el ave puede rotar cada una de estas plumas de manera individual. Las plumas se colocan juntas y son la principal fuente de empuje durante el aleteo hacia abajo. Diferentes estudios demuestran que la envergadura del ave cambia activamente con el aleteo, sindo de un tamaño máximo a la mitad del aleteo hacia abajo, y de un tamaño mínimo a la mitad del aleteo hacia arriba.
Cuando el ala se mueve con el aleteo hacia arriba, para evitar la resistencia del aire al movimiento del ala hacia arriba, el ave tiene la capacidad de rotar de manera individual cada una de las plumas primarias, de manera que puedan colocarse de forma paralela al viento y así evitan la resistencia al aire lo más posible. Estas plumas también se pueden separar unas de las otras como si fueran dedos, especialmente en las grandes aves planeadoras como los buitres y cóndores. Esto ayuda a disminuir la creación de vórtices de punta de ala y la resistencia inducida. En otras palabras, las aves también tienen estructuras que funcionan como "winglets".
Con respecto a aves marinas, como las gaviotas, las alas son diferentes. Sus alas son más largas y angostas, sus plumas primarias no se separan, y la punta del ala es muy aguda. Esta forma es otra solución de la naturaleza que también ayuda a disminuir al resistencia inducida. Comparadas a las alas de aves terrestres, producen sustentación y empuje en manera similar, pero la diferencia es que la capacidad de separar las plumas primarias, le brinda a las aves terrestres la posibilidad de tener alas más cortas y gruesas, más livianas, y además con mayor maniobrabilidad, al tener mayor movimiento angular de alabeo y guiñada.
Las aves marinas vuelan en general a una velocidad mayor que las aves terrestres, y tener alas delgadas y puntiagudas favorece no solo a disminuir la resistencia inducida, sino también a disminuir la resistencia parásita. La resistencia parásita sería mucho mayor, si por ejemplo volaran a altas velocidades y con plumas separadas alterando el flujo del aire, como lo hacen las aves que vuelan lento como el cóndor o los buitres.
Imagen de internet: observe que las plumas primarias no están tan separadas en la punta. En este tipo de ala se favorece la sustentación generada por vuelo a alta velocidad, con poco ángulo de ataque, y minimiza la resistencia parásita.
Imagen de internet: observe las plumas primarias separadas como si fueran dedos, para permitir el flujo de aire entre ellas y disminuir el vórtice de ala generado por la sustentación, especialmente durante el vuelo lento, que es cuando se genera más resistencia inducidd.
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Las plumas secundarias permanecen juntas durante el vuelo, y no se pueden mover individualmente. Ellas crean la sustentación al formar la superficie aerodinámica. Estas son las encagadas de generar la sustentación en el vuelo sin aleteo.
Las plumas alula, son muy útiles durante el vuelo lento. Ellas están siempre muy juntas al borde de ataque del ala, excepto cuando el ángulo de ataque es muy grande. En ese momento se separan del ala, y permiten que el aire corra entre ellas y el ala, ayudando a evitar la entrada al stall al momento del aterrizaje y en vuelo a bajas velocidades. Puedes pensar en estas plumas como en los slats de los aviones grandes.
Plumas alula y slats de borde de ataque. Imagen de internet.
La flexibilidad de las plumas y el movimiento de los huesos del ala del ave, sumado a reflejos y tiempos de reacción mucho menores a los de los seres humanos, le permiten a las aves cambiar activamente la superficie alar y la cuerda alar, ayudando a mantener la sustentación y reducir la resistencia. Las demandas del vuelo requieren un control de la sustentación que cambia en fracciones de segundo, esto incluye también reacción a ráfagas de viento, termales, evitar objetos, seguir presas, etc.
Debajo del ala, cerca del borde de ataque hay unas plumas llamadas coverts o cubiertas inferiores. Estas se extienden automáticamente al alcanzar altos ángulos de ataque, aumentando efectivamente el camber del ala. Estas plumas sse consideran como superficies hipersustentadoras, y se pueden comparar a los flaps tipo Krueger.
Krueger Flap. Imagen: Skybrary
Plumas coverts inferiores extendidas en el borde de ataque. Imagen Dvooak R.
El despegue y el aterrizaje son de las maniobras que más energía gastan. Algunas aves se impulsan dando brinquitos, o con pequeñas carreras terrestres, y otras tienen que lanzarse al vacío desde las ramas o acantilados. Para el aterrizaje, los pájaros grandes se valen de deslizamientos antes de aterrizar. Justo antes de aterrizar, la cola se extiende para aumentar la superficie de sustentación. Luego la cola se mueve hacia arriba para levantar el ave, y entrar en stall justo antes del aterrizaje. Este proceso es muy similar al usado para aterrizar aeronaves ligeras durante el entrenamiento de piloto.
En el siguiente video de instagram, podemos ver los reflejos de un cuervo para reaccionar a cambios instantáneos en el viento, con tal de mantener su posición. También podemos ver como despliega las alas, y mueve la cola para el despegue y aterrizaje.
La coladel ave logra controlar movimientos de cabeceo y guiñada al mismo tiempo (y esto que la cola del ave no tiene timón de dirección como las aeronaves). Trabaja de manera totalmente idependiente de las alas, sin embargo,estudios de vórtices de ala han demostrado que aunque se mueve de manera independiente, la cola es parte integral de la composición de la sustentación total del ave. En otras palabras, aunque la cola no trabaja junto a las alas, aerodinámicamente si influye en la sustentación de las aves.
En el siguiente post de instagram, puedes ver un video impresionante de un buho, parte de un estudio científico publicado en la revista Experimental Biology. En este video se aprecian los vórtices de ala generados por el vuelo del ave, y además se aprecia como la cola forma parte de la sustentación del ave.
Otro aspecto interesante, es que en los aviones el elevador funciona generando sustentación "hacia abajo" para contrarrestar el movimiento de cabeceo del avión y así lograr mantener el vuelo recto y nivelado. Usualmente en los aviones estables, el centro de gravedad (CG) está ubicado por delante del centro de sustentación de las alas.
Imagen de internet. Observe la sustentación del elevador hacia abajo, en oposición a la sustentación de las alas. Boldmethod.com
En las aves la sustentación de la cola va en la misma dirección que la sustentación de las alas, hacia arriba. Anque no se ha calculado realmente la ubicación del centro de gravedad de las aves, el hecho de que la cola produzca sustentación hacia arriba sugiere que las aves son muchísimo más inestables que una aeronave. Esta inestabilidad dinámica es controlada por un sistema nervioso altamente desarrollado.
Otra observación muy interesante en las aves, es que algunas veces vuelan con periodos cortos en los que no aletean, sino que más bien cierran las alas y las pegan al cuerpo. Gracias a estudios en estos tipos de aves, se ha determinado que incluso con las alas cerradas, su cuerpo y cola generan sustentación para sostener aproximadamente de 10 a 15 % de su peso.
Bret W. Tobalske. Aerodynamics of avian flight.
Aerodinámica básica aplicada a las Aves y a las Aeronaves
La superficie aerodinámica es cualquier superficie que logra obtener una reacción aerodinámica o de sustentación deseable con respecto al flujo de aire. Las aves tienen muchas superficies aerodinámicas, aunque tal vez las más conocidas son las alas y la cola. También el cuerpo del ave puede funcionar como parte fundamental del área aerodinámica, las plumas, los huesos, su cabeza, la forma de su anatomía, todo puede funcionar para realizar el milagro del vuelo.
Las superficies aerodinámicas más conocidas en una aeronave son: las alas, el empenaje, estabilizadores horizontales y verticales, flaps, hélices, alerones, frenos aerodinámicos, turbinas, rotores, etc.
Halcón en vuelo. Imagen tomada de internet.
Nosotros los humanos, hemos tenido que estudiar e inventar la aerodinámica, y nombrar decenas de partes de máquinas, ingeniería y física, para poder lograr lo que las aves han sabido desde siempre.
Conceptos básicos de una superficie aerodinámica. Adaptación del Autor.
El ángulo de ataque
Es el ángulo imaginario formado entre el flujo del aire (viento relativo), y la cuerda aerodinámica de la superficie alar. Conforme aumenta el ángulo de ataque, aumenta la sustentación de la superficie aerodinámica. Sin embargo, no puede aumentar infinitamente, cuando una aeronave alcanza su ángulo de ataque máximo (ángulo de ataque crítico), entra en lo que se conoce como "pérdida o stall". En ese momento el flujo de aire sobre la superficie aerodinámica se torna turbulento, y no logra generar suficiente sustentación para mantener el vuelo.
Angulo de ataque: el ángulo máximo que permite la sustentación se llama ángulo de ataque crítico. Observen la diferencia entre 8 grados y 16 grados de ángulo de ataque. Imagen tomada de CAE Oxford.
Flujo de aire turbulento luego de exceder el ángulo de ataque crítico. Imagen tomada de Internet.
Y surge la pregunta: Conocen las aves acerca del ángulo de ataque? Saben ellas cúando se acercan a su ángulo de ataque crítico? Cómo se verían las plumas de un ave con flujo de aire turbulento? La física no cambia, y las aves están sujetas a las mismas leyes de aerodinámica que las aeronaves. Claro que las aves también tienen su ángulo de ataque máximo, y también entran en stall si lo exceden!
En el caso de las aves, las plumas llamadas cubiertas alula tienen mecanoreceptores. Los mecanoreceptores son estructuras microscópicas que perciben movimientos mecánicos y los convierten en impulsos eléctricos que funcionan como señales que llegan al Sistema Nervioso Central (SNC), donde son interpretadas de una manera ya sea consciente, o refleja e inconsciente. El SNC (Cerebro) identifica la señal de los mecanoreceptores, los cuales están transmitiendo el movimiento de las plumas bajo el efecto del flujo turbulento del aire, advirtiendo la separación del flujo de aire, y que se está cerca de entrar en stall. Estas plumas funcionan como un "stall warning" de la naturaleza, que le avisa al cerebro que se acerca el punto del ángulo de ataque crítico.
Ave con flujo de aire turbulento, noten las plumas levantadas sobre el ala, en dirección perpendicular al eje lateral del ave. Imagen obtenida de internet.
En una areonave, el stall warning también se mueve con el flujo de aire, moviéndose cuando se acerca al ángulo de ataque crítico. La famosa "corneta de stall" le advierte al piloto que la velocidad del aire es críticamente baja y el ángulo de ataque es críticamente alto.
Stall warning. Cuando el aire presiona la pequeña pestaña de metal hacia arriba, se envía una señal a la "chicharra" de stall. Imagen tomada de internt.
También podemos ver representaciones pictóricas en las aeronaves más avanzadas con sistemas de pantallas multifuncionales, donde nos advierte que estamos cerca de entrar en pérdida.
Indicadores de ángulo de ataque y velocidad de stall. Fotos tomadas de internet.
La única manera de lograr obtener sustentación de nuevo, es lograr de nuevo flujo de aire ordenado sobre las alas. Para esto debe disminuir el ángulo de ataque y aumentar la velocidad del aire.
Flujo de aire laminar, obteniendo sustentación, Adaptación del Autor.
Perfil alar
Las aeronaves tienen diferentes objetivos y diseños. Hay unas que son para volar muy lento, otras para volar muy rápido. Unas están diseñadas para levantar mucho peso, otras para mantenerse en vuelo largas horas. La forma del ala influye enormemente en poder alcanzar el objetivo para el cuál está diseñada la aeronave. Aparte de la forma del ala, también existen dispositivos como flaps, slats, frenos aerodinámicos, winglets, y otros dispositivos que cambian efectivamente la forma del ala para operaciones específicas, como el despegue y el aterrizaje.
En la naturaleza funciona igual, y dependiendo de la función del ave, cambia su estructura aerodinámica básica, además de las capacidades del ave de cambiar activamente la forma del ala y el movimiento de sus plumas para lograr el mismo objetivo. Como regla general, las aeronaves que mejor desempeño tienen, tratan de imitar estructuras que existen naturalmente en las aves.
Tipos de alas. Imágen tomada de internet.
Algunos tipos de alas que podemos encontrar en la naturaleza:
Diferentes alas de aves, unas permiten vuelo ágil y con cambios de dirección repentinos, otras permiten planear y aprovechar corrientes de viento y termales. De arriba hacia abajo: Ala elíptica, Ala de planeo pasivo, Ala de alta velocidad, Ala de planeo activo. Imagen tomada de internet.
Comparación entre alas de aeronaves y aves. De izquierda a derecha: ala elíptica, ala ahusada (tapered en inglés) hacia atrás, ala con "Alta relación de aspecto" (High aspect ratio). Imagen tomada de internet.
Un estudio que comparó la forma de las alas de buhos y palomas, identificó que las alas de los buhos son mucho más gruesas, lo que les permite volar más lento y de manera muy silenciosa. Las palomas demostraron tener que aletear más veces, lo que les dá mayor velocidad, pero a su vez también produce más ruido. Esto es un ejemplo de cómo la naturaleza aprovecha pequeños cambios en forma y movimiento para brindar ventajas a cada especie de ave. Al ser los buhos aves carnívoras, que deben cazar una presa, la ventaja de volar de manera silenciosa es indiscutiblemente mayor a tener la posibilidad de volar más rápido.
Otro aspecto importante a considerar, es que en las aves la cola forma parte del complejo sistema de generación de sustentación. Su ubicación cercana a las alas, y la capacidad de cambiar su forma y su razón de aspecto, conlleva a mejorar la forma total de la superficie de sustentación del ave. Ayuda a mantener el balance y la estabilidad, y en vuelo lento se extiende en gran medida para ayudar mejorar el flujo del aire sobre el ala, como lo haría un sistema de flaps en una aeronave.
Las aves tienen una gran ventaja al volar, y es que pueden alterar la forma del ala dependiendo de la fase del vuelo. Si están planeando pueden extender las alas para generar más sustentación, pero si están en picada pueden recoger las alas para no generar sustentación ni resistencia al aire. Inmediatamente cambia el área del ala, se afecta la carga aerodinámica, y esto puede ayudar a prevenir la separación del flujo turbulento.
Para intentar comprender un poco mejor el tipo de ala y la influencia que tiene en el tipo de vuelo, tenemos que pensar en factores indispensables en la naturaleza: acceso al alimento, cantidad de energía disponible para gastar en búsqueda de alimento, agilidad necesaria para conseguir alimento, capacidad de desplazarse durante migraciones y apareamiento, etc. A continuación vamos a considerar algunas aves y sus características importantes y particulares con respecto al vuelo.
Cóndor Andino: Es un ave que habita en la cordillera de los andes. Es el ave voladora más grande del mundo. Pesa en promedio 15kg, con una envergadura de más de 3 metros! Es un ave que se alimenta principalmente de carroña, por lo que no tiene que preocuparse demasiado por ser un depredador con mucha agilidad. Sin embargo, debe mantener cierta capacidad para reaccionar rápidamente debido a que vuela entre riscos y acantilados, cubiertos por piedras, arbustos y árboles que debe sortear ágilmente. También tiene que preocuparse por aprovechar la energía al máximo para desplazarse enormes distancias en busca de carroña. De acuerdo a un estudio científico, pueden volar hasta 200km y por más de 5 horas seguidas sin tener que batir sus alas. Pueden sortear diferentes condiciones climáticas y de corrientes termales, batiendo sus alas solo 1% del tiempo!. Un estudio determinó un vuelo de condor que se prolongó por 306 kilómetros. Imaginen el ahorro de energía, eso redefine el término "Low Cost".
Sus alas son grandes y amplias, y cuando están en vuelo las plumas de los extremos de las alas parecen abrirse como dedos. Estas plumas efectivamente trabajan como grandes alerones que le permiten a un ave de semejante tamaño, cambiar su rumbo y reaccionar en un instante si lo llegara a necesitar. Las plumas separadas también permiten que el aire de alta presión debajo del ala, se "derrame" a través de las plumas hacia la parte superior del ala, destruyendo efectivamente los vórtices de ala, y disminuyendo considerablemente la resistencia inducida originada por estos vórtices. Entre menos resitsencia inducida, mejor la relación del diagrama de Sustentación / Resistencia (L/D Max).
Esto significa que el cóndor puede obtener una excelente sustentación, sin la desventaja de resistencia inducida, y además combinarlo con excelentes fuentes de corrientes de aire y termales de su hábitat natural. Todo esto combinado ayuda al vuelo de planeo casi perfecto. Muchas otras aves rapases y de carroña se favorecen de esta técnica de ahorrar energía para mantenerse en el aire por largas horas.
Cóndor andino. Observe su imponente tamaño. Imagen tomada de internet.
Cóndor en vuelo, observe cómo se extienden las plumas de las puntas de las alas. Observe la posición abierta de la cola. Imagen de internet.
Gaviota: también son aves de tamaño considerable, con amplias envergaduras que permiten el vuelo en planeo, con poco gasto de energía. La mayor parte de la energía la gastan al momento del despegue y el aterrizaje, cuando tienen que batir las alas para poder alcanzar el vuelo, o frenar lo suficiente para el acuatizaje. Si se comparan las alas de las gaviotas con las de las aves rapaces, podemos observar que son largas y puntiagudas, sin plumas grandes en los bordes.
Estas alas son perfectas para generar bastante sustentación, y eliminar también los vórtices de la punta del ala por medio de su figura puntiaguda. Esto también ayuda a destruir la resistencia inducida generada por la sustentación. Ahora pensemos, cómo es el ambiente donde se desenvuelven las gaviotas?
Las playas, costas, y cuerpos de agua presentan pocas estructuras que puedan poner en riesgo la integridad de la gaviota. Por lo general no hay grandes árboles, ni prominentes rocosos, ni hay necesidad de volar cambiando el rumbo muy a menudo, porque las amplias extensiones de agua permanecen inmóviles y permiten una excelente visibilidad desde lo alto. O sea las aves con alas puntiagudas no necesitan cambiar su rumbo con rapidez, y por lo general no deben reaccionar de manera súbita ante nada. Efectivamente su sistema de "alerones" en la punta de las alas es pequeño, y aunque les permite cambiar de dirección de vuelo, no son tan ágiles como otras aves con otras formas en sus alas.
Gaviota en vuelo de planeo. Imagen de internet.
Paseriformes: Toman sus decisiones migratorias en relación a los vientos prevalentes, y usan rutas migratorias que no necesariamente se asocian a la ruta más corta.
Aves migratorias: las aves migratorias que vuelan en formación "V" lo hacen por un motivo muy interesante. En aviación generalmente se consideran los vórtices de punta de ala como algo negativo, que generan resistencia inducida, y disminuyen el rendimiento. Las aves encontraron cómo aprovechar los vórtices de punta de ala para ahorrar energía y generar sustentación.
Cuando las aves vuelan en formación de "V", los vórtices del ave delantera, se derraman hacia atrás y a los lados del ave, y cuando giran hacia afuera y hacia arriba, ayudan a generar sustentación en las alas de las aves que van formadas atrás.
Aves aprovechando el vórtice de ala para generar sustentación. R. Dvorak, Aerodynamics of flight.
Vuelo en formación V. Imagen de internet.
Corrientes termales
Muchas aves aprovechan las corrientes termales para desplazarse sin utilizar un exceso de energía. Las termales son corrientes de aire caliente ascendente, que ocurren debido al calentamiento desigual de los terrenos durante el día. Imaginen que se encuentran en una gran planicie, y parte de esa planicie es bosque, parte son cultivos, y parte son áreas de edificios.
La energía del sol cae en todos los terrenos al mismo tiempo, pero unos se calientan más rápido que otros. Por ejemplo los edificios se calientan mucho más rápido que los cultivos, y estos más rápido que los bosques. Al generarse un calentamiento desigual del suelo, el aire que está al lado de la tierra también se calienta, al calentarse se vuelve menos denso que el aire más frío a su alrededor, y empieza a generar una corriente ascendente.
Las aves son muy inteligentes, y saben que si aprovechan estas corrientes termales, tienen que aletear menos para ganar altitud. Esto significa un importante ahorro de energía. Luego de ganar altitud, alguna de todas las aves empieza a probar pasar por medio de vuelo de planeo, entre una corriente de aire caliente a otra. Si lo logra, otras aves inmediatamente intentan seguir su ejemplo. Esto es un evento muy interesante que podemos observar en aves carroñeras como buítres.
Conclusiones
Las alas son muy flexibles, gracias a la rotación y movimiento de cada uno de los huesos del ala y al movmiento de las plumas, Esto le permite a las aves reaccionar y adaptarse en cada instante del vuelo, cambiando la forma, área y camber, perfeccionando y sacando el mayor provecho a las circunstancias instantáneas.
La sustentación y empuje en aves depende de factores como: densidad de aire, velocidad de desplazamiento, forma y tamaño del ala, área de la superficie alar, fuerza del aleteo, aporte de las plumas, tipo de aleteo, ángulo de ataque, flujo de aire.
La información presentada en este documento es tremendamente simplificada para el entendimiento básico. Aparte de lo explicado aquí, hay especies de aves como el colibri, insectos voladores, y mamíferos voladores (murciélgos y vampiros) que tienen un vuelo muy complejo y su explicación sobrepasa el objetivo de este texto. El estudio y entendimiento del vuelo en estas especies tiene un importante futuro en el desarrollo de drones livianos y pesados, así como nuevos sistemas de vuelo.
Referencias.
H. J. Williams et al. Physical limits of flight performance in the heaviest soaring bird. Proceedings of the National Academy of sciences of the United States of America.
R. Dvorak. Aerodynamics of bird flight. EPJ web conferences. Experimental fluid mechanics.
Types of airplane wings. https://www.aviationfile.com/types-of-airplane-wings/
9 types of aircraft wings. https://aerocorner.com/blog/types-of-aircraft-wings/
Cóndor andino. El arte de volar con el mínimo esfuerzo. https://www.ecoticias.com/eco-america/204237_condor-andino-arte-volar-alturas-minimo-esfuerzo
Los tipos de niebla que debes reconocer cuando se realizan operaciones aéreas.
Una breve descripción de cómo se forman y se disipan los bancos de niebla.
Consejos prácticos para tomar en cuenta en la planeación de un vuelo.
Qué es la niebla?
Según el libro "Aviation Weather", la niebla es una "nube cuya base está en la superficie". Puede estar compuesta de microgotitas de agua, o cristales de hielo. Es uno de los fenómenos meteorológicos más importantes que disminuyen la visibilidad en tierra, y afectan las operaciones de vuelo en periodos prolongados. La niebla necesita de una alta humedad relativa junto a poca diferencia entre el punto de rocío y la temperatura ambiente. Esto es mucho más notorio en áreas costeras (alta humedad) y cuando hay presencia de "núcleos de precipitación", como por ejemplo contaminación atmosférica por polvo o hidrocarburos.
Tipos de niebla
Niebla por radiación (niebla de valle, o de tierra): Este tipo de niebla es de un grosor relativamente pequeño, y aún así estando en tierra puede obscurecer el cielo, y vista desde el cielo puede bloquear toda referencia visual del terreno. Los objetos altos como edificios, árboles, o pequeñas lomas pueden salir de la niebla y verse pefectamente desde el aire, lo que ayuda al piloto a mantener el rumbo de acuerdo a sus puntos de chequeo.
Fotografía: weather.gov
Neblina por radiación, amanecer en Guanacaste, cerca de MRLB. Fotografía del Autor.
Neblina por radiación, se observan los puntos más altos de las lomas. Guancaste, Costa Rica. Fotografía del autor.
Esta niebla se genera durante la noche o justo al amanecer, especialmente si hubo lluvia, y luego hay cielo claro sin nubes, poco o nada de viento, y una diferencia mínima entre temperatura y punto de rocío (alta humedad relativa). La ciencia de esta niebla es, que al estar el cielo sin nubes, no hay nada que impida que la radiación terrestre se pierda hacia el espacio, y esto ocasiona que el terreno se enfríe mucho durante la noche. A su vez el terreno frío logra enfriar la capa de aire más baja, a temperaturas iguales al punto de rocío, lo que genera la aparición de la niebla.
Luego del amanecer, una vez que se calienta la tierra de nuevo, esta niebla desaparece rápidamente. A veces una leve brisa puede causar que el grosor de la capa de esta niebla más bien aumente, ya que mezcla el aire frío cercano a la tierra, con aire menos frío un poco más arriba. Sin embargo, si la brisa aumenta su velocidad, esto va a ayudar a disipar la niebla rápidamente.
Proceso de disipación de la niebla por radiación. Fotografía 15 minutos después de la fotografía anterior. Guanacaste, Costa Rica. Fotografía del Autor.
2. Niebla por advección: este tipo de niebla requiere de viento de intensidad relativamente fuerte, que empuje el aire relativamente cálido y húmedo proveniente de grandes cuerpos de agua (lagos, ríos, mares) sobre masas de tierra con temperaturas más bajas (bancos de niebe, tierra congelada, etc). Las masas de tierra fría disminuyen la temperatura del aire, acercando el punto de rocío a la temperatura del aire, generando saturación de humedad y la aparición de la niebla.
Esta niebla es muy densa, y puede permanecer por muchas horas o incluso días sobre el terreno, alterando las operaciones aéreas y causando muchos desvíos a aeropuertos alternos. Vientos de alrededor de 15 nudos pueden empeorar la capa de niebla, y superiores a 15kts elevan la niebla a nubes tipo estrato. También hay que tomar en cuenta que este tipo de niebla puede ocurrir incluso con cielos totalmente nublados, no como la neblina por radiación.
En latitudes tropicales y subtropicales es poco común observar este tipo de niebla, y es más frecuente en latitudes más al norte o al sur, donde los inviernos afectan más las temperaturas frías del terreno. Estas temperaturas frías favorecen la estabilidad atmosférica a baja altura, ayudando así a la formación de niebla.
Neblina por advección. Foto de NOAA.
Niebla de ascenso: Estos bancos de niebla ocurren por aire cálido, húmedo y estable, que es empujado por viento suave a subir por la ladera de las pequeñas lomas o grandes montañas. Este aire se enfría de manera adiabática, alcanzando la saturación y produciendo una niebla que puede ser muy densa. Algunas veces estos bancos de niebla pueden generarse en elevaciones de terreno considerables, y después bajan o se "derraman" a valles cercanos, ya que el aire frío y denso pesa más y tiende a bajar.
Si el viento que empuja el aire a subir por la ladera es muy fuerte (mayor a 12kts), generalmente lo que se observa son nubes tipo estrato, muy bajas pero que no son consideradas niebla.
Niebla inducida por precipitación: este tipo de neblina se forma cuando lluvia cálida, cae a través de capas más frías de aire. Esto ocasiona que ocurra un proceso de evaporación de las gotas de agua, saturando el aire y generando la niebla. Frecuentemente está asociada a frentes cálidos o estacionarios, pero también con frentes fríos que se muevan lentamente. Puede cubrir una importante área de terreno, y es muy peligrosa porque puede estar asociada a otros peligros como engelamiento, turbulencia, tormentas, etc.
Tomada de la referencia #6.
Niebla por hielo: Este tipo de niebla ocurre en clima extremadamente frio, cuando el agua pasa de un estado de la materia a otro por medio de la sublimación. Esto significa que nieve o hielo en estado sólido, pasa directamente a estado gaseoso sin necesidad de pasar por el estado líquido. No es una niebla muy espesa, pero debido a la naturaleza, y la posibilidad de que existan cristales de hielo en la niebla, puede tener un efecto cegante si se vuela en dirección al sol. Es más común en áreas habitadas, ya que los residuos de hidrocarburos agregan grandes cantidades de vapor de agua al aire. Una inversión de temperatura ayuda a atrapar todos estos elementos cerca del terreno, y favorece este tipo de niebla.
Fotografía: Flickr
Niebla por vapor: Esta solo se observa en clima frío. Las masas de agua pueden almacenar más calor que la tierra alrededor, esto ocasiona que exista un proceso de evaporación del agua, que llega a saturar el aire con humedad. Se observa como pequeños "vapores" que emanan de los cuerpos de agua, como lo son ríos y lagos. Con una fuerte inversión de temperatura, se concentra esta niebla a una capa baja pero bastante densa.
Fotografía: Flickr
Cómo se disipa la niebla?
Es necesario disminuir la humedad relativa, aumentar la diferencia entre el punto de rocío y la temperatura del ambiente, o aumentar la velocidad del viento para que ayude a disipar la niebla, o una combinación de todos los factores. El pasaje de los frentes cálidos y fríos también afectan en la aparición y desaparición de los patrones de niebla.
Por ejemplo, la neblina de radiación va a desaparecer tan pronto se caliente el terreno, lo cual va a calentar el aire y así disminuye la humedad relativa. Una viento fuerte puede disipar cualquier tipo de niebla, etc.
Consejos prácticos
La niebla puede aparecer en cualquier momento, y la visibilidad puede cambiar de VFR a IMC en cuestión de minutos. Es importante revisar el ATIS del aeropuerto de salida y de destino, y contactar al aeropuerto de destino para conocer las condiciones meteorológicas actualizadas para planear con anticipación la llegada del vuelo.
La niebla no solo afecta el despegue y aterrizaje, puede afectar tu vuelo en ruta si no hay contacto visual con el terreno. Si te encuentras en una posición donde no se puede determinar la posición exacta de la aeronave con respecto a puntos de chequeo en tierra, es muy importante seguir el plan de vuelo de manera exacta, con rumbos y tiempos perfectos para evitar perderse. Una buena opción es solicitar al ATC un plan de vuelo por instrumentos, o vectores para encontrar un lugar con mejores condiciones meteorológicas.
Siempre revisen el Punto de Rocío y la temperatura del aire. Cuando la diferencia entre uno y otro es muy poca, hay alta probabilidad de que se formen bancos de niebla.
Revisar el pronóstico de los frentes cálidos y fríos, su movimiento y velocidad sobre el terreno.
Caracteres poco comunes que debes saber para poder leer un METAR
Una práctica para decodificar METAR
Qué es un METAR?
EL METAR es un REPORTE DE METEOROLOGÍA ACTUAL, o sea una observación de lo que está ocurriendo en un instante determinado en un aeródromo. Este reporte se codifica en un "lenguaje internacional" que cualquier piloto o personal aeronáutico de despacho y afines puede leer e interpretar. Aunque el lenguaje es internacional, y todos aprendemos a leerlo sin mayor problema, cada país puede generar sus propios caracteres al código, para poder modificarlo de acuerdo a poder explicar particularidades de dicho país, como por ejemplo unidades de medida específicas, fenómentos meteorológicos específicos, etc.
Donde y cuándo encuentro un METAR?
Los METAR deben ser publicados por las autoridades competentes en el horario establecido, y su información se comparte por canales oficiales oficiales. La oficina de meteorología del aeródromo, recoge la información de las estaciones meteorológicas del aeropuerto, y las complementa con observaciones directas del personal meteorología. Luego de generar el reporte de observación meteorológica, lo publican en las páginas de internet oficiales para tal fin, y además lo comparten inmediatamente a oficinas internacionales de meteorología como la NOAA y Servicio Nacional de Meteorología de Estados Unidos, los cuales se encargan de ponerlo a disposición y difundirlo conforme sea necesario.
Las publicaciones de los METAR usualmente ocurren cada hora al inicio de la hora o unos minutos antes. Si por alguna razón ocurre un cambio importante en la meteorología observada, se pueden publicar METAR extra bajo la denominación SPECI METAR, los cuales significan que son reportes especiales y fuera de horario. Criterios para emitir un SPECI son:
Cambio en la dirección del vienteo de más de 45 grados en 15 minutos junto a cambios en la velocidad del viento de más de 10 nudos.
La visibilidad aumenta o dimisnuye en 1 milla.
Torandos, Tromba marina, o nubes de tornado.
Tormentas
Cambios en la precipitación, por ejemplo que inicia caída de granizo, finaliza lluvia engelante, etc.
La velocidad del viento aumenta por lo menos en 16 nudos, y se mantiene arriba de 22 nudos por más de 1 minuto.
Cambios en la corbertura de cielo.
Ocurre una erupción volcánica en ese momento.
Los SPECI se publican cada 20 minutos si fuera necesario. Cuando ocurre un accidente o incidente de un avión en el aeropuerto, y afecta las operaciones, se puede publicar en el SPECI.
Para poder ver METARS de todo el mundo, solo necesitas conocer el identificador OACI del aeropuerto, y accedes a la siguiente página y lo colocas en el buscador:
y Luego llenas las casillas para pedir la información que deseas (En este caso quiero saber el METAR de MRLB - Liberia Costa Rica)
Cómo leer un METAR?
El METAR es un lenguaje, y lo primero que vamos a decir es que como todo lenguaje, entre más lo uses más fácil se vuelve. No esperes de la noche a la mañana entender todo lo que un METAR puede decirte, pero puedes estar seguro que muy pronto todo es mucho más sencillo.
El orden en el que aparece la información en el METAR es siempre el mismo, y vamos a iniciar a decodificar el siguiente METAR:
Cada grupo señalado con un color va a presentarse en el mismo orden siempre. Algunas veces el METAR puede tener más o menos información, y depende de las condiciones meteorológicas presentes, los sistemas de medición disponibles por el meteorólogo, y las estaciones automáticas. O sea, algunos METAR pueden ser muy sencillos de leer, y otros muy complejos.
METAR y el Identificador del aeropuerto. El identificador del aeropuerto es en las cuatro letras del código del aeropuerto de la OACI. La FAA resume los identificadores de los aeropuertos, y los convierte a tres letras al quitar la primera letra "K" ya que siempre es la misma para todos los aeropuertos de USA. Si fuera un SPECI, se coloca la palabra en esta sección.
Fecha y hora, estación automática. El formato de la fecha es de 6 dígitos: los primeros 2 la fecha, los 4 siguientes la hora de emisión, en formato UTC (universal coordinated time), y esto lo sabemos por la letra "Z", que se usa para recordar que la hora es "Zulu", o sea UTC. Con respecto a la estación automática, podemos encontrar la frase AUTO, indicando que no hay un observador humano, o sea que la preparación del reporte meteorológico se hace completamente autónomo por el sistema de observación de superficie. Hay dos tipos de estaciones automáticas: AO1 y AO2. La AO1 no tiene discriminador de precipitación, y la AO2 si posee sensores para discriminar la precipitación, y esto significa que la estación automática AO2 puede distinguir entre lluvia y nieve. Cuando existe una estación automática pero con supervición de un observador certificado, este se encarga de aumentar el reporte meteorológico, de manera en que revisa lo que los instrumentos automáticos están detectando, y además agrega información relevante, incluída en la vecindad del aeropuerto. Esto es útil porque las estaciones automáticas solo pueden mostrar lo que está ocurriendo directamente alrededor de ellas.
Dirección del viento (rumbo verdadero) y velocidad del viento. la "G" significa ráfagas de viento. Las letras VRB significan "Variable", o sea que la velocidad del viento es de menos de 6 nudos y que la dirección del viento esta cambiando constantemente. Si solo aparece una letra V, significa que la dirección del viento cambia más de 60 grados y la velocidad en más de 6 nudos, y se colocan los extremos de la variación, por ejemplo 180V250. Vento calmo se expresa como 00000KT.
Visibilidad, puede ser en metros o millas estatutas "SM", el máximo en metros es 9999, lo que significa visibilidad ilimitada. En millas estatutas, el máximo es 6 SM, si aparece la letra P6M, significa que es "mayor a 6 millas estatutas". La difernecia entre encontrar metros o millas en un METAR, radica en las unidades de media del país en específico. Algunas veces puede reportarse la visibilidad en "RVR" (Runway Visual Range). El RVR es la distancia horizontal que puede ver un piloto durante el despegue, se expresa primero con el número de pista, y luego la distancia en pies o metros.
Descriptor de fenómenos meteorológicos: si aparece "+" significa en aumento o incremento de intensidad, si aparece "-" significa que está disminuyendo la intensidad. Lo normal es diferenciar entre intensidad ligera, moderada, o severa. También puede describir si es en el aeropuerto o en los alrededores del aeropurto con la letra "VC" (5 a 10 millas del aeropuerto). Ejemplos de fenómenos que se describirían en esta sección pueden ser: tormentas eléctricas, aguaceros, engelamiento, lluvia, granizo, niebla, humo, ceniza, etc. Los descriptores más comunes son:
Imagen tomada del Pilots Handbook of Aeronautical Knowledge.
Condicón del cielo, cobertura de cielo y distancia vertical desde la superficie hasta la base de la primera capa de nubes, luego la segunda, y así sucesivamente. Las estaciones automáticas solo incluyen 3 capas hasta los 12000 pies. También se puede incluir el tipo de nube si es relevante. La distancia se reporta en tres dígitos, y siempre hay que agregarle 00 a los tres dígitos. Si reporta 008, significa 800 pies. Algunas veces no se puede determinar bien la distancia a la base de las nuebes por fenómenos como niebla o humo, en esos casos se usa el designador "VV" que significa "Visibilidad Vertical", y está descrito en cientos de pies. La cobertura de cielo se describe en "octas" de acuerdo a la siguiente tabla:
Imagen tomada del Pilots Handbook of Aeronautical Knowledge
Temperatura y punto de rocío, en grados Celcius, y el valore es redondeado al dígito más cercano. Si alguno fuera negativo, aparece la letra "M".
Reglaje altimétrico, puede ser en pulgadas de mercurio o hectopascales. En condiciones especiales donde la presión atmosférica sube o baja rápidamente, podemos encontrar las frases "PRESRR" que significa Pressure Rising (Presión elevándose rápidamente), o la frase "PRESFR" que significa Pressure Falling (Presión disminuyendo rápidamente).
RMK: significa remarks en inglés. En español podemos traducirlo a "comentarios", y ahí podemos encontrar cualquier información adicional que el meteorólogo considere relevante.
Caracteres poco comunes que debemos conocer para leer un METAR (orden alfabético)
ACFT_MSHP: Incidente o accidente con un avión en el aeropuerto.
BINOVC: Breaks in Overcast: Parches de huecos en la cobertura de nubes.
CB: Cumulonimbus.
CBMAM: Cumulonimbus Mammatus
CIG: Ceiling: Techo.
COR: Correción. Significa que el METAR publicado anteriormente tenía un error, y este nuevo lo está corrigiendo.
E: End: Fin.
FROPA: Frontal Passage: Movimiento de un frente.
FZRANO: Sensor automático de detección de lluvia engelante No Operativo.
LTG: Lightning: Rayos
LTGCG: Lightning Cloud to Ground: rayos de las nubes a la tierra.
LTGIC: Lightning within the cloud: Rayos dentro de la nube.
LTCC: Lightning cloud to cloud: Rayos entre nubes separadas.
OCNLLTG: Ocassional Lightning: Rayería ocasional.
FRQLTG: Frequent Lightning: Rayería Frecuente.
LTG DSNT: Lightning Distant: Rayería a más de 10 millas.
MOV: Moving. Moviéndose
OVH: Overhead: Sobre el aeródromo
P####: Precipitación en centésimas de pulgadas. Si aparece un 6#### significa precipitacion en las últimas 3 a 6 horas. si aparece un 7#### es precipitación en las últimas 24 horas. ejm 2.17 pulgadas de precipitacion en las ultimas 3 horas se escriben 60217
PKWND: Peak Wind: mayor velocidad del viento. Se lee dirección, velocidad, y hora.
PROB40%: probabilidad del 40% de que ocurra un fenómeno, por ejemplo lluvia.
RAB: Rain Began: La lluvia inició, junto a la hora específica.
RVR: Runway Visual Range.
RVRNO: Runway Visual Range No Operativo.
SLP: Sea Level Pressure: Presión a nivel del mar. Se presenta en hectopascales, generalmente siempre va a ser arriba a 1000 mb. Para decodificar se omite el primer 10, y se coloca una coma antes del último dígito. Ejmplo SLP0163 se lee como Presión a nivel del mar de 1016.3 hectopascales. En un caso excepcional donde la presión sera menor a 1000mb, es evidente porque no aparece un 0 en el código, por ejemplo SLP973, y se codifica agregando un 9 antes del valor, y la coma al último dígito. Ejemplo anterior se codifica 997.3mb
SNE: Snow Ended: La precipitación en forma de nieve terminó, junto a la hora específica.
SNINCR: snow increasing rapidly: cobertura de nieve aumentando rapidamente. la profundidad es de más de media pulgada en la última hora.
SVC VIS: visibilidad en la superficie.
T: temperatura, sin redondeo y con decimales. 0 indica positivo y 1 indica negativo. ejm T00261015 significa temperatura 2.6 y punto de rocío menos 1.5.
TCU: Towering Cumulus
TSB: Thunderstorm Began: Tormenta eléctrica inició, junto a la hora específica.
TSNO: Sensor automático de detección de rayos No Operativo.
VIS: Visibilidad
WSHFT: Wind Shift: cambio en la dirección del viento, usualmente a una hora específica.
4####: conocido como el grupo de los cuatro: temperatura máxima y mínima en las últimas 24 horas. El siguiente número después del cuatro es 0 para indicar valores positivos, o 1 para indicar valores negativos, luego se indican las temperaturas con decimales. ejm 403220261 se decodifica como temperatura máxima en las últimas 24 horas, positivo 32.2 grados celcius, y temperarutar mínima en las últimas 24 horas, positivo 26.1 grados celcius.
5####: conocido como el grupo de los cinco. : indica la tendencia de la presión atmosférica en las últimas 3 a 6 horas. El primer dígito indica tendencia según la siguiente tabla. Los últimos tres dígitos indican lo que ha aumentado o disminuído la presión atmosférica, en milibares o hectopascales.
6####: Conocido como el grupo de los 6. Lluvia en las ultimas 6 horas, en pulgadas.
7####: Conocido como el grupo de los 7: Lluvia en las últimas 24 horas, en pulgadas.
$: Indica que la estación automática requiere mantenimiento.
Existen muchos otros símbolos y abreviaturas, con la práctica puedes ir descubriendo más!
Práctica de decodificación METAR
1. Identificador del aeropuerto: Liberia, Costa Rica
2. Fecha y hora: día 14 a las 1200 UTC
3. Viento: 100 grados a 3 nudos
4. Visibilidad: Ilimitada
5. Cobertura de nubes: Pocas a 3500 pies y quebrado a 13000 pies.
6. Temperatura y punto de rocío: 23 grados y 23 grados Celcius
7. Reglaje altimétrico: 29.92 pulgadas de mercurio
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