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:

@more.rightrudder

Meteorología - Frentes y Actividad Frontal

Frentes y Actividad Frontal

Se conoce como “Ridge” o Cresta a un área de alta presión, y como “Trough” o Depresión a un área de baja presión. Todos los frentes se encuentran en áreas de baja presión.  En la siguiente imagen, podemos ver en amarillo un ridge y en color café un trough.

Cuando un cuerpo de aire se desplaza sobre extensas áreas de terreno o agua, el aire adquiere las propiedades de temperatura y humedad de esas áreas.  Con forme la masa de aire continua desplazándose, se modifica y adquiere las características de las nuevas zonas que cubre en su camino, de manera que siempre hay un constante cambio y adaptación.

En el hemisferio norte, podemos observar 5 áreas bien definidas donde las masas de aire adoptan características específicas.

1. Polar continental sobre Canadá, con aire seco y frío.
2. Artico continental sobre el Polo Norte, con aire muy frío y seco.
3. Polar marítimos en ambas costas, con aire frío y húmedo.
4. Tropical marítimo en el Golfo de México y océanos del Sur, con aire cálido y húmedo.
5. Continental tropical en el centro de México y Sur de Estados Unidos, con aire seco y cálido.

Si consideramos las masas de aire junto a los procesos de calentamiento y enfriamiento estacional del planeta, la rotación del planeta, la gravedad, y la orografía, obtenemos un panorama del constante cambio y movimiento que ocurre día a día en el clima.  Las masas de aire colisionan y se empujan unas a otras, ocasionando lo que conocemos como frentes.

Hay 4 tipos de frentes:

1. Frente frío: dibujado de color azul y con picos triangulares indicando la dirección del movimiento.
2. Frente cálido: dibujado de color rojo y con semicírculos indicando la dirección del movimiento.
3. Frente estacionario: dibujado con figuras triangulares azules y semicírculos rojos alternados y en direcciones opuestas, y se puede intuir que al estar  unos contra los otros no existe un movimiento predominante.
4. Frente ocluido: dibujado de color morado, con picos y semicírculos apuntando en la misma dirección.  

El frente frío es el borde de una masa de aire frío y denso que avanza por debajo de una masa de aire caliente y menos denso.  Si miramos los picos azules del dibujo de un frente frío, podemos imaginar una pala que ingresa por debajo del frente cálido y lo levanta.   Estos frentes por lo general presentan los cambios más dramáticos, especialmente cuando la diferencia de temperatura y presión es mucha entre las masas de aire frontales.  Se esperan nubes tipo cúmulo o cumulonimbo, inestabilidad, tormentas, turbulencia severa, cambios en la velocidad y dirección del viento, y movimiento frontal rápido. El avance puede ser de 30 hasta 60 mph, por lo que para aeronaves ligeras puede ser muy peligroso.  Podemos reconocer que se avecina un frente frío por la presencia de nubes tipo cirro o altocúmulo, las cuales preceden el frente por algunas horas o días. Después de que el frente ha pasado, la presión atmosférica sube abruptamente, la temperatura baja, y las condiciones meteorológicas mejoran rápidamente a cielos despejados con algunas nubes tipo cúmulo.

De igual manera, un frente cálido es el borde de una masa de aire caliente que avanza sobre una masa de aire frío y la reemplaza.  Para recordar esto, podemos imaginar los semicírculos rojos como burbujas cálidas que flotan y suben sobre el frente frío. Los frentes cálidos se mueven más lentamente (a la mitad de la velocidad del frente frío o menos) y son bastante más estables que los frentes fríos. El aire cálido y húmedo se enfría a medida que se eleva sobre el frente frío, ocasionando extensas áreas de nubosidad y lluvia (algunas veces puede extenderse cientos de millas por delante del frente).  Las nubes características cuando se avecina un frente cálido son de tipo estrato, por ejemplo: cirroestrato, altoestrato, nimboestrato, estrato, y niebla. La visibilidad puede reducirse en áreas extensas, con techos de nubes y visibilidad muy bajos como para permitir vuelos visuales. Usualmente no existe turbulencia importante, a menos que existan tormentas embedidas en las áreas cubiertas por los estratos. Estas tormentas puede formarse si el aire cálido es inestable y forma nubes tipo cúmulo o alto cúmulo.   Otro peligro importante son amplias áreas de engelamiento a lo largo del frente.

Los frentes estacionarios son un híbrido entre los frentes fríos y los frentes cálidos.  Ninguno de los dos tiene suficiente energía para definir y reemplazar el otro. Es por esto que se obtiene un clima que es como la mezcla de los dos, y al no tener movimiento, puede generar mal clima en una región durante varios días. Existen los ciclones, los cuales generalmente los vamos a encontrar en zonas de frentes fríos que se mueven muy lentamente o son estacionarios.

A veces podemos encontrar frentes ocluidos, donde masas de aire con diferente temperatura chocan y se unen.  Por ejemplo una masa de aire muy frío avanza y empuja una masa de aire menos fría, y a su vez eleva una masa de aire caliente hacia niveles superiores de la atmósfera.  En este caso obtenemos algo parecido a un emparedado meteorológico, con las peores combinaciones de clima que podemos observar, por ejemplo tormentas eléctricas, baja visibilidad, y cambios en velocidad y dirección del viento.

Las características físicas de cada frente pueden ser diferentes.  Por lo general las principales variaciones tienen relación con la velocidad de la masa de aire, su temperatura, y su estabilidad.  Una masa de aire estable que es forzada hacia altitudes superiores, presentará y continuará presentando características de aire estable (nubes tipo estrato, baja visibilidad, no hay turbulencia).  Por el contrario una masa de aire inestable que es forzada a elevarse, continuará con características inestables (nubes tipo cúmulo, turbulencia, precipitación en aguacero, buena visibilidad, etc.)  Además, las características más marcadas de los frentes las vamos a observar en los niveles inferiores y cerca de la superficie, y estas van disminuyendo a medida que aumenta la altitud. Usualmente entre 15 y 20 mil pies, las consecuencias del frente ya son mínimas, y el único cambio perceptible es una diferencia de temperatura que se puede extender hasta la tropopausa.

Muchas veces es imposible conocer exactamente dónde inicia y termina un frente. Sin embargo, el paso de un frente estará identificado por las siguientes características:  un cambio en la temperatura, un cambio en la presión atmosférica, y un cambio en la dirección del viento, velocidad del viento, o ambos. Cómo averiguar información acerca de los frentes?Como dice el dicho, una imagen vale más que mil palabras.  Las imágenes de las cartas meteorológicas son la mejor manera de visualizar la posición de las áreas de alta y baja presión, frentes y sus movimientos, así como áreas bajo la influencia de los mismos.  El “surface analysis chart, significant weather and prognostic chart, y el weather depiction chart” son algunos ejemplos de estos. Para planear vuelos usualmente nos concentramos en el aeropuerto de partida, la ruta, y el aeropuerto de llegada, pero es valioso ampliar el análisis y considerar tener un plan B y rutas de escape, y para esto necesitamos evaluar las cartas mencionadas anteriormente.  Sin una buena preparación, es muy fácil terminar en una posición incómoda o hasta de mucho riesgo durante el vuelo.Wind shear (cortantes de viento)Una cortante de viento se define como un cambio en la dirección y/o la velocidad del viento en una muy corta distancia.  Puede ocurrir a cualquier nivel de la atmósfera, y se detecta por un cambio súbito en la velocidad indicada del avión. Las cortantes de bajo nivel pueden encontrarse relacionadas generalmente a inversiones de temperatura, donde la velocidad del viento a 2000 o 4000 pies sobre la superficie es de 25 nudos.  También se pueden encontrar en las afueras de una tormenta y directamente sobre la tormenta y por debajo de la tormenta. Además es usual encontrar cortantes de viento a lo largo de actividad frontal, debido a la diferencia en la velocidad del viento de cada masa de aire.Con un frente cálido, el periodo crítico es justo antes de que el frente pase y alrededor de 6 horas antes.  Con un frente frío, las cortantes de viento usualmente se encuentran por detrás del frente y luego de que este pasa.Los principales peligros de una cortante de viento son el cambio en la dirección del viento, ya que puede pasar de un viento de frente a un viento de cola y visceversa.  Durante la aproximación al aterrizaje, la manera de identificar la posibilidad de cortantes de viento es mediante el análisis del régimen de descenso (Velocidad Vertical), el indicador de velocidad (ASI) y el régimen de potencia que se está usando para la aproximación. Cuando cambia de viento de cola a viento calmo o viento de frente, la velocidad inicialmente aumenta de manera igual al cambio de la velocidad del viento.  La aeronave responde nariz arriba y la altitud aumenta. En la aproximación a aterrizaje, al inicio es necesario responder con una disminución de potencia para retomar la senda de planeo, y luego volver a agregar potencia.Cuando el viento de frente cambia a un viento calmo o viento de cola, inicialmente la velocidad disminuye, la nariz del avión baja y la altitud disminuye.  En la aproximación al aterrizaje esto puede ser muy peligroso, ya que perderemos velocidad y altitud en una fase crítica del vuelo. Es necesario incrementar la potencia para contrarrestar estos efectos y volver a interceptar la senda de planeo.  Luego de esto tendremos que reducir de nuevo la potencia para compensar por el aumento en la velocidad sobre el terreno a causa del viento de cola.

Referencias:

1. Private Pilot Test Prep.  ASA. 2016
2. Commercial Pilot Test Prep.  ASA. 2012
3. FAA Safety Briefing.  Air Mases and Fronts. April 2015.
4. Aviation Weather Student Guide.  Naval Air Training Command. 2003.