True Airspeed - conceptos básicos y cálculos

 CFI CFII Mauricio Ureña Durán. 

En este blog encontrarán:

• Contexto
• Definiciones
• Cálculos en general
• Aplicaciones a la vida real

Contexto:

En todo libro de aviación, encontrarán la siguiente definición:

True airspeed (TAS)—CAS corregida por altitud y temperatura no estándar.

Sin embargo, no mencionan nada de Velocidad Indicada IAS, velocidad calibrada CAS, ni la relación entre ellas.

La velocidad Indicada es la velocidad que se obtiene directamente de leer el instrumento, pero debemos recordar que el instrumento, así como cualquier máquina, no es perfecto, y debe calibrarse. Esta calibración es información que encontramos en el POH del avión, y corrige errores conocidos del instrumento, de la colocación del tubo pitot y el puerto estático, las líneas del sistema, etc.

Pero, y qué tienen que ver estas definiciones, con la altitud, la temperatura, y la TAS? Para eso observen la siguiente ilustración:

Ilustración 1:  partes básicas del sistema pitot estático y el indicador de velocidad.   PHAK

Para que el instrumento funcione, deben entrar moléculas de aire a través del tubo pitot, sin embargo, las moléculas presentes en la atmósfera en un momento dado siempre están cambiando, porque la atmósfera nunca es completamente estable.  Por ejemplo, la densidad, la presión, y la temperatura del aire cambian constantemente, y si esto cambia, por lógica debería cambiar la lectura de velocidad directamente del instrumento.  El problema, es que el instrumento no tiene manera de saber que la atmósfera está cambiando, y de hecho está calibrado para condiciones específicas, y nosotros debemos usar unos cuantos cálculos para poder tomar en cuenta ese factor de cambio y obtener un valor de velocidad VERDADERO.  Ahí es donde entran en juego la altitud y temperatura NO ESTANDAR de la definición de TAS.    Tomamos un número de CAS del POH del avión, y lo moldeamos a las condiciones atmosféricas reales para obtener una velocidad verdadera.

Cómo podemos entender True Airspeed?  Pensemos en la velocidad a la que se mueve el avión, a través del aire.  Imaginemos que estamos volando a la par de las nubes como en la fotografía 1 y video 1, para la perspectiva del piloto, las nubes están estáticas, y es la aeronave la que se mueve.  Para un observador externo, no solo el avión se mueve en una parcela de aire, sino que también las nubes se mueven dentro de esa misma parcela a causa del viento.  Para el observador externo, es sencillo comparar dentro de la misma parcela de aire, el movimiento de la aeronave, con el movimiento de las nubes, y determinar la velocidad verdadera de la aeronave dentro de la parcela de aire. 

Fotografía 1:  perspectiva del piloto volando entre las nubes.  Foto del autor, Panamá 2018. 

Video 1: perspectiva del piloto volando entre nubes.  Video del Autor, Costa Rica, 2017.

Teorema de Bernoulli:  Antes de seguir hablando de TAS, tenemos que hacer una pausa y recordar este teorema y sus detalles importantes.   

• El teorema usa un fluido ideal, o sea un líquido que no se puede comprimir y no tiene viscocidad.  El aire a baja velocidad cumple con estas características. 
• Tiene que existir un flujo constante de aire. 
• La presión y la energía cinética siempre son constantes. 

Imagen 1:  Ecuación de Bernulli

P (presión), p (densidad del aire), V (Velocidad Verdadera)

Ecuación Básica de la sustentación:

Imagen  2: Ecuación de sustentación

En esta ecuación, L es la cantidad de sustentación o LIFT que deben generar las alas.  Encerrado en el círculo rojo está el Teorema de Bernoulli, CL es el ángulo de ataque de las alas, y S es el área total den pies cuadrados de la envergadura del avión.  En otras palabras si resolvemos la ecuación para valores hipotéticos, y despejamos cualquiera de las variables, podemos encontrar:

• Sustentación 
• Densidad del aire
• Velocidad Verdadera
• Angulo de ataque
• Area de la superficie alar.

Supongamos el ejemplo 1, donde una aeronave piper cherokee con 170 pies cuadrados de superficie alar, vuela en una atmósfera estándar a nivel del mar, y con un ángulo de ataque de 4 grados:

Despejamos la fórmula, y encontramos que la sustentación necesaria es de 3758912,5.    O sea que bajo esas condiciones estándar, nuestro avión genera esa cantidad de sustentación.  Ahora en el ejemplo 2, supongamos que logramos elevar el mismo avión a 40000 pies de altura.  A esta altitud la densidad atmosférica es alrededor de 1/4 de la densidad a nivel del mar.  

En este ejemplo vamos a usar el valor de sustentación que obtuvimos en el ejemplo 1, porque las alas deben producir la misma sustentación para que la aeronave siga volando.  Mantenemos constantes el resto de variables excepto la densidad, la cual dividimos entre 4 por la altitud a la que vuela el avión.  Despejamos la velocidad, y obtenemos un valor de 191,96 nudos de TAS. 

Qué significa eso?  Al aumentar la altitud, disminuye la densidad del aire, y por lo tanto hay menos moléculas de aire en el flujo de aire alrededor de las alas.  Es por esto que para mantener la sustentación al mismo valor del nivel del mar, es necesario aumentar la velocidad del avión a casi el doble del nivel del mar.  Con este aumento en velocidad, se compensa la menor densidad del aire. 

Mediante esta fórmula, comprobamos que al volar a mayor altitud, nuestra velocidad verdadera aumenta (imagen 3).  Y qué pasa con la velocidad indicada?  La velocidad indicada se mantiene constante, porque el instrumento no puede compensar por la disminución en la densidad de la atmósfera (imagen 4).

Imagen 3: aumento de la TAS con la Altitud.

Imagen 4: Incrementando la altitud, la velocidad indicada es constante con un aumento en la TAS.

En este último ejemplo, mantenemos los valores de la atmósfera estándar a nivel del mar, y aumentamos el valor de V para descubrir qué pasa con el ángulo de ataque.  Se demuestra que con un aumento en la velocidad verdadera, si deseamos mantener la sustentación constante, es necesario disminuir el ángulo de ataque.  En otras palabras se cumple lo que hacemos diariamente en vuelo recto y nivelado:  al aplicar potencia para ganar velocidad, es necesario bajar la nariz y usar el trim nariz abajo para poder disminuir el ángulo de ataque, y disminuir así la sustentación para evitar que la aeronave gane altitud.  

Entonces: para qué sirve la TAS y cuando la usamos?

Es indispensable usarla cuando abrimos un plan de vuelo, porque la velocidad verdadera es la piedra fundamental de donde se pueden calcular el resto de velocidades, por ejemplo la velocidad sobre el terreno.  En una eventual necesidad de busqueda y rescate, si por error habíamos colocado en la casilla de velocidad la IAS o la GS, el servicio de búsqueda y rescate no va a calcular correctamente nuestra probable posición.  Observemos de nuevo la imagen 4, imaginen que colocamos la IAS de 100 kts, pero en realidad volábamos a 137kts, la distancia recorrida sería mucho mayor, y el equipo de busqueda y rescate no tendría la menor idea de lo sucedido. 

También es muy importante usarla en todos los cálculos de performance, y es un grave error usar IAS o CAS en secciones donde el POH solicita números de TAS. 

Cómo calcular la TAS?

1. Usando el computador de vuelo E6B.  recordemos que la TAS es la velocidad CAS corregida por presión y temperatura no estándar.  Para empezar, el mismo E6B tiene las instrucciones, en este caso dentro del círculo verde.  Colocamos la altitud de presión (color amarillo) opuesta a la temperatura del aire (color rojo), y en la escala interna (flecha naranja) buscamos la CAS, para leer en la escala externa la TAS (flecha azul). 

2. Usando el indicador de velocidad en el avión.  Algunos aviones tienen indicadores de velocidad con una perilla que se mueve a la derecha y a la izquierda.  Pocos pilotos reconoce que esta perilla mueve una escala en la parte superior del instrumento, la cual también tiene altitud de presión y temperatura, y una escala en la parte inferior, la cual tiene velocidad en nudos.  En otras palabras, el indicador de velocidad cumple la misma función del E6B, pero es más facil de usar durante el vuelo. 

3. Las computadoras de los glass cockpits también calculan la TAS.  El detalle radica en que la computadora a velocidades mayores de aproximadamente 100 kts, incluye en las fórmulas, el factor de compresibilidad del aire  (recuerdan la parte del fluido ideal de la ecuación de bernoulli?  el aire no es un fluido ideal y se puede comprimir).  Entonces la computadora lo que realmente está calculando es la velocidad verdadera, pero en número MACH, el cuál es más exacto.  Cuando la TAS es igual a la velocidad del sonido para la altitud, entonces el indicador muestra MACH 1.  En las siguientes imágenes, vemos la utilidad de las pantallas PFD en la aviación, donde podemos leer al mismo tiempo IAS, GS, y TAS. 

Resumen

1. La TAS es importante para todo tipo de aviación
2. La TAS siempre varía por las variaciones en la atmósfera
3. En aviones de alto desempeño tiene muchísima importancia, especialmente a alta velocidad y alta altitud.
4. Poder calcularla eficientemente y saber cuando usarla es fundamental. 
5. Con un aumento en la altitud, aumenta la TAS y disminuye la densidad del aire, mientras la velocidad indicada es la misma.  
6. A mayor velocidad TAS, menor el ángulo de ataque para poder mantener vuelo recto y nivelado
7. Siempre usar TAS para abrir los planes de vuelo y cálculos de performance. 

Más información:

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