lunes, 26 de enero de 2015

La atmósfera estándar


Los aviones interactúan en la atmósfera, las fuerzas ascensionales y la resistencia al avance, entre otros muchos parámetros, dependen de dicha interacción. Por ello, es importante entender cómo se constituye la atmósfera. La atmósfera está compuesta por gases y es considerada como un sistema caótico. Esto quiere decir que se ve ampliamente influida por los movimientos de las masas de aire, los cambios en densidad, temperatura, etc. 

Por ello la ICAO / OACI ha definido lo que se conoce como Atmósfera Internacional Estándar (ISA – International Standard Atmosphere). En este modelo ideal la atmósfera es representada como un promedio, teniendo en cuenta su comportamiento a lo largo de un periodo amplio de tiempo en las latitudes medias. En este modelo también se considera que la atmósfera es un gas perfecto, no contiene humedad y carece de vientos y turbulencias. Queda claro que las condiciones reales pueden variar enormemente, para lo cual se deben de aplicar correcciones cuando los parámetros de la atmósfera estándar no se cumplan.


Los tres parámetros que definen la atmósfera son presión, densidad y temperatura. Existe una formula física, llamada ley de los gases, que los relaciona de forma conveniente.





Siendo ρ (rho) la densidad, P la presión y T la temperatura. R es la constante de los gases y para nuestros propósitos no es necesaria. La fórmula es muy sencilla de interpretar. La T se encuentra en el denominador, lo que quiere decir que si la temperatura aumenta y la presión se mantiene constante la densidad del aire debe de disminuir, en otras palabras son inversamente proporcionales. Mientras que densidad y presión se relacionan de forma directamente proporcional.

En la atmósfera estándar

  • ρ (rho) = 1.225 kg/m3
  • P = 1013.25 milibares
  • T = 15° C al nivel medio del mar
En la imagen que se muestra a continuación se puede ver de forma gráfica la relación entre presión y densidad.











La imagen inferior muestra el comportamiento delos tres parámetros fundamentales de la atmósfera ISA.







La composición de los gases se muestra a continuación:




Una curiosidad que siempre llama la atención es precisamente esta de la composición del aire. Mucha gente piensa que si un avión sufre una despresurización cuando vuela muy alto, los ocupantes morirán por falta de oxigeno. En realidad la composición del aire atmosférico se mantiene casi inalterada hasta muy arriba (mas incluso que los niveles normales de vuelo de los aviones comerciales, allí sigue habiendo la misma cantidad porcentual). Lo que en realidad ocurre es que esa proporción de oxigeno que existe tanto aquí abajo como a nivelo de vuelo 340, por poner un ejemplo, no se pude transferir al torrente sanguíneo por falta de presión alveolar.  

Otra curiosidad es que los satélites (los del GPS por ejemplo) sufren fricción incluso a las órbitas en las que operan (20.200 km nada menos) y esta fricción, que es producida por la atmósfera, debe de corregirse para que la señal no contenga errores.

Relación volumen y temperatura

Para los propósitos de este trabajo podemos considerar que la temperatura desciende de forma lineal a razón de unos 2 grados centígrados por cada 1000 pies de altura. Esto ocurre hasta la tropopausa, donde la temperatura se mantiene constante. La temperatura en la superficie de la tierra se considera 15° en la llamada atmósfera estándar. La presión tiene un comportamiento diferente tal como se aprecia en la ilustración superior.


En la siguiente figura se muestran las relaciones volumen/temperatura (globos en verano e invierno), el efecto de la presión con respecto a la altura (botella de plástico con tres orificios) y la ley de los gases perfectos que combina los tres parámetros fundamentales.









El gráfico de los globos ilustra perfectamente el hecho de que, a temperaturas bajas el aire resulta más denso. Esto puede resultar beneficioso a la hora de producir más sustentación, ya que esta es función directa de la densidad del aire. Los motores a reacción también se benefician de un aire denso, ya que la potencia que desarrollan también es función directa de la cantidad de aire. Con el aire caliente sucede lo contrario.


A continuación se ofrece una tabla con los valores de densidad del aire que corresponden a diferentes temperaturas. En la columna central se también se muestra la velocidad del sonido, ya que esta es función directa de la temperatura.



La velocidad del sonido en el aire en nudos se puede calcular con la siguiente formula:



siendo LSS la velocidad local del sonido (Local Speed of Sound) y la temperatura expresada en grados Kelvin.


La medición los parámetros.


La presión se puede medir gracias a la utilización de la capsula aneroide típica de los aparatos barométricos, este es el principio básico por el cual los aviones pueden calcular su altitud y ya se explicó en un post anterior. La temperatura se puede medir con los termómetros o sensores TAT y la densidad se puede calcular sabiendo los dos parámetros anteriores. Los cálculos de las actuaciones/prestaciones de un avión dependen, entre otros, de estos tres parámetros fundamentales, es fácil entender que las actuaciones/prestaciones del avión variaran si los parámetros cambian.





La altitud de presión

Es aquella que marca el altímetro cuando este se ha calado con el valor de la atmósfera estándar (1013 milibares). Nótese que la altitud que se puede leer en el altímetro puede ser diferente a la altitud geométrica (real) entre avión y superficie. Si un avión vuela con el altímetro reglado a 1013 milibares y la presión real de la atmósfera cambia en el transcurso del vuelo la altura real del avión también cambiará. Ver gráfico.


El reglaje o calado del altímetro barométrico es fundamental, con diferentes calados se habla de diferentes referencias altimétricas. de esta forma tenemos fundamentalmente QFE, Presión de altitud (nivel de vuelo con respecto a la referencia estándar), y QNH. 
Véase el gráfico siguiente.




Como hemos visto anteriormente la temperatura puede ser diferente a la de la atmósfera estándar y esto también hace que la distancia geométrica pueda ser diferente a la altitud barométrica. ver gráfico





Las formulas básicas para calcular el error altimétrico:

El altímetro (barómetro) esta reglado o pre ajustado con respecto a unas condiciones determinadas (atmósfera ISA). Esto quiere decir que, cuando cualquiera de los parámetros atmosféricos difiera de los reglajes iniciales, estaremos leyendo un valor erróneo.
En el gráfico inferior se muestra como el error debido a la temperatura se incrementa con la altitud.




Como se puede apreciar en el gráfico, le presión en la línea roja es menor que en la verde (Estándar o ISA), con lo cual nuestro altímetro/barómetro nos mostrara una altura mayor de lo que en realidad estamos. En este caso se suele decir en ingles que el altímetro “over-reads”, o lee por encima de lo que debería. Lo opuesto ocurre con la línea azul (temperaturas más frías que las estándar ISA), el altímetro “under-reads” o nos muestra una altitud menor de la real. Para corregir estos errores se utilizan diferentes fórmulas o métodos. Los más sencillos se muestran a continuación.

Para corregir el error llamado barométrico (error que se produce cuando el altímetro se cala con ajustes de presión diferentes a los reales), se suele utilizar lo siguiente: por cada milibar que se desvíe de las condiciones reales, se pueden calcular 30 pies de error en su lectura. Si volamos a 5000 pies de altura con el altímetro calado a 1013 milibares y las condiciones son de 1020 milibares, nuestro altímetro nos mostrara 5000 pies, pero nuestro avión estará más alto, en los 5210 pies aproximadamente (30 pies x 7 milibares de error = 210 pies).

Para la corrección del error de temperatura, se suele multiplicar 4 por cada 1000 pies de altímetro por cada grado de desviación. Por ejemplo: si hoy tenemos 20º a 5000 pies de altura nuestro altímetro leerá unos 5300 pies, ya que a 5000 pies debería de haber solamente 5 grados en una atmósfera estándar (15ºC a nivel del mar decreciendo unos 2ºC cada 1000 pies, 15º - 2º x 5 = 5º ), luego hoy tenemos lo que se denomina una ISA+15 (o simplemente 15 grados d desviación). Si ahora aplicamos la fórmula de corrección nos saldría lo siguiente: 4 x 15 x 5 = 300, como el valor de la desviación es positivo nuestro altímetro leería 5300 pies.



¿Se atreve el lector con estos dos supuestos?






Para terminar con esta sección dedicada a la atmósfera a continuación ofrecemos un enlace de un simulador de atmósfera desarrollado por la NASA, donde se pueden cambiar varios parámetros de un vuelo (altura y velocidad) y ver los efectos de dichos cambios. http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/atmosi.html


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