La atmósfera

El objetivo perseguido en el desarrollo de esta sección consiste en tratar de explicar una serie de conceptos básicos que permitan al lector de estas páginas comprender de una manera sencilla los fundamentos del vuelo. El apelativo "básico" lo es en sus acepciones de "base" y de "esencial".

En los primeros capítulos intentaré explicar con conceptos elementales porqué vuela un avión, es decir porqué un ingenio mecánico (el avión) mas pesado que el aire se desplaza a través del mismo así como qué fuerzas y leyes que las gobiernan son las que hacen esto posible, para continuar describiendo otros conceptos tales como las partes principales de un avión, sus controles y el funcionamiento de los mismos.

1.1.1 La atmósfera.

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea nuestro planeta, y aunque se divide en varias capas, por el momento nos limitamos a la más cercana a la tierra: la troposfera, que es aquella en la cual se desenvuelven los aviones.

Esta capa atmosférica está compuesta principalmente por una mezcla de gases (78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de otros gases) que denominamos aire. A estos constituyentes hay que añadir el vapor de agua concentrado en las capas más bajas, cuya cantidad depende de las condiciones climatológicas y la localización geográca, pudiendo variar entre el 0% y el 5%. Conforme aumenta el vapor de agua, los demás gases disminuyen proporcionalmente.

Dado que cada componente tiene un peso distinto de los restantes, existe una tendencia natural de los elementos más pesados a permanecer en las capas más bajas (oxígeno por ejemplo) mientras que los más ligeros se encuentran en las capas más

75% de la masa total de la atmósfera se encuentra entre la supercie terrestre y los primeros 10-12 kilómetros de altitud (troposfera).

Este elemento gaseoso que denominamos aire tiene masa, peso y una forma indeterminada, es capaz de uir, y cuando está sujeto a cambios de presión cambia su forma debido a la carencia de una fuerte cohesión molecular, es decir, tiende a expandirse o contraerse ocupando todo el volumen del recipiente que lo contiene. Dado que el aire tiene masa y peso, está sujeto y reacciona a las leyes físicas de la misma manera que otros cuerpos gaseosos.

1.1.2 El aire como fluido.

Cuando escuchamos la palabra "uido" por lo general tendemos a pensar en un líquido y sin embargo los gases, como por ejemplo el aire, también lo son. Los uidos toman la forma de sus recipientes y no se resisten a la deformación o solo muy ligeramente aun cuando se les aplique una pequeña tensión, propiedad esta que recibe el nombre de viscosidad. La viscosidad es una medida de la resistencia de un uido a deformarse, en el caso del aire a uir, siendo la forma en que las moléculas individuales tienden a adherirse entre sí la que determina esta medida: los uidos de alta viscosidad son “espesos” y resisten el ujo mientras que los de baja viscosidad son "delgados" y uyen fácilmente. En resumen: el aire es un uido, tiene propiedades de viscosidad y ofrece resistencia a uir alrededor de cualquier objeto aunque muy débilmente.

Aunque el aire tiene también muchas otras propiedades importantes, para poder explicar por qué vuela un avión veamos ahora otras tres de sus características básicas: presión, temperatura y densidad. Como se verá en los siguientes capítulos, estos tres

1.1.3 Presión atmosférica. Se dene como presión a la cantidad de fuerza aplicada por unidad de supercie. De acuerdo con esta denición, presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre una unidad de supercie, fuerza que se debe al peso del aire contenido en una columna imaginaria que tiene como base dicha unidad.

Es lógico pensar que si la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de la supercie terrestre, debemos suponer que cuanto mas alto esté ese punto menor será la presión soportada ya que también es menor la cantidad de aire que hay por encima, es decir: la altura de esa columna y por tanto el peso del aire que contiene depende del lugar en que nos encontremos; en la cima del Everest la presión atmosférica será menor que en la cumbre del Teide la cual a su vez será menor que a nivel del mar.

Esta circunstancia nos indica una primera cualidad del aire: la presión atmosférica cambia de forma inversamente proporcional a la altura, es decir, decrece con la altura, "a mayor altura menor presión". La magnitud de este decrecimiento es de 1 hectopascal por cada 9 metros de altura o medido en otras unidades 1 pulgada por cada 1000 pies aprox. (1 hPa por cada 9 m o 1" por cada 1000 ft). Debido precisamente a esta propiedad (y a la menor densidad del aire) los aviones que vuelan por encima de una altitud determinada deben estar provistos de sistemas de presurización en la cabina de pasajeros.

Para medir la presión atmosférica se puede utilizar un barómetro de mercurio, un barómetro aneroide, o cualquier otro aparato mas sosticado. Las unidades normalmente empleadas en aviacion son hectopascales (1 hPa=10 dinas/cm² ) o pulgadas de mercurio (1 pulgada del barómetro de mercurio equivale aprox. a 34 hectopascales, concretamente a 33,865) aunque es posible encontrar como unidad el milibar (mb) unidad equivalente al hectopascal (1 hPa = 1 mb)

La presión atmosférica es uno de los factores básicos en los cambios meteorológicos, inuye decisivamente en la sustentación del avión (a través de la densidad) y es la base del funcionamiento de algunos instrumentos de vuelo: altímetro, anemómetro, variómetro, etc.

1.1.4 Temperatura del aire.

Aunque existen factores particulares que afectan a la temperatura del aire, como por ejemplo lo cercano o lejano que esté un lugar respecto a la línea del ecuador, su lejanía o proximidad a la costa, etc., un hecho común es que el calor del sol atraviesa la atmósfera sin elevar signicativamente su temperatura pero esta energía es absorbida por la Tierra provocando que esta se caliente y eleve su temperatura, la cual es cedida gradualmente a las capas de aire en contacto con ella. En este ciclo continuo, cuanto más alejadas están las capas de aire de la tierra menos calor reciben de esta. Debido a esto, una segunda cualidad del aire es que la temperatura disminuye con la altura, "a mayor altura menor temperatura".

La magnitud de este decrecimiento (gradiente térmico) es de aproximadamente 6,5ºC cada 1000 metros (1ºC por cada 154 metros), o dicho con otras medidas 1,98ºC cada 1000 pies (305 metros). Estas magnitudes son validas hasta una altura de 11000 mts. (36.000 pies aprox.), a partir de la cual la temperatura se considera constante a -56,5ºC. Aunque las magnitudes dadas no se cumplen exactamente al no ser el aire un gas ideal, estos valores medios son los aceptados como indicativos del comportamiento del aire.

Relación entre presión y temperatura. Si calentamos una masa de gas contenida en un recipiente, la presión que ejerce esta masa sobre el recipiente se incrementa, pero si enfriamos dicha masa la presión disminuye. Igualmente comprimir un gas aumenta su temperatura mientras que descomprimirlo lo enfría, lo cual demuestra que hay una relación directa entre temperatura y presión; así, la presión del aire cálido es mayor que la del aire frío. La ley de compresión de los gases de Gay-Lussac ya lo dice: "La presión de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos".

1.1.5 Densidad del aire.

La densidad de cualquier cuerpo sea sólido, líquido o gaseoso expresa la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen (d=m/v). Esta propiedad en el aire es en principio mal asimilada por poco intuitiva, pues es cierto que la densidad del aire es poca si la comparamos con la del agua, pero es precisamente esta diferencia lo que hace el vuelo posible.

Dado que con la altura cambian la presión y la temperatura, para saber cómo cambia la densidad nada mejor que ver cómo afectan a la densidad estas variaciones. Si se comprime, una misma masa de gas ocupará menos volumen, o un mismo volumen alojará mayor cantidad de gas si está comprimido; este hecho se conoce en Física como ley de Boyle: "A temperatura constante, los volumenes ocupados por un gas son inversamente proporcionales a las presiones a las que esté sometido". De esta ley y de la denición de densidad dada, se deduce que la densidad aumenta o disminuye en relación directa con la presión, es decir que si la presión disminuye, según esta relación también lo hará la densidad, o sea que "a menor presión menor densidad".

Sabemos además, que si se aplica calor a un cuerpo este se dilata y ocupa más volumen, hecho conocido en Física como Ley de dilatación de los gases de Gay-Lussac: "La dilatación de los gases es función de la temperatura e independiente de la naturaleza de los mismos" de forma que en el mismo volumen habrá menos masa, o lo que es equivalente su densidad será menor. Así pues, al aumentar la temperatura del aire disminuye su densidad "a mayor temperatura menor densidad.

Se plantea ahora un dilema, porque si al aumentar la altura, por un lado disminuye la presión (disminuye la densidad) y por otro disminuye la temperatura (aumenta la densidad) ¿cómo queda la densidad?. Pues bien, la rápida caída de la presión a medida que aumenta la altitud es el efecto dominante de manera que inuye en mayor medida el cambio de presión que el de temperatura, resultando en denitiva que "a mayor altura menor densidad".

1.1.6 Humedad del aire.

Los párrafos anteriores se reeren al aire que está seco, pero en realidad nunca lo está completamente. La pequeña cantidad de vapor de agua suspendida en la atmósfera puede ser casi insignicante en ciertas condiciones, pero en otras distintas la humedad puede convertirse en un factor importante a tener en cuenta en el rendimiento de un avión.

Como el vapor de agua tiene una densidad menor que la del aire, el aire húmedo (mezcla de aire y vapor de agua) es menos denso que el aire seco; en la medida que el contenido de vapor de agua aumente su contenido en el aire este último irá perdiendo densidad.

La humedad, también llamada humedad relativa, se reere a la cantidad de vapor de agua contenida en la atmósfera y se expresa como un porcentaje de la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener. Esta cantidad varía con la temperatura: el aire caliente retiene más vapor de agua, mientras que el aire frío retiene menos.

En denitiva, la densidad del aire tiene efectos signicativos en el rendimiento del avión dado que a medida que el aire se hace menos denso resulta que:

La potencia se reduce dado que el motor absorbe menos particulas de aire que quemar.
El empuje también se reduce porque la hélice es menos eciente en un aire poco denso.
Por último, pero no menos importante, la sustentación también disminuye dado que el aire ejerce menos fuerza sobre el ala. De hecho, uno de los factores que intervienen en la fórmula de la sustentación es la densidad.

1.1.7 Atmósfera tipo.

La atmósfera tipo o atmósfera estándar, conocida como atmósfera ISA (International Standard Atmosphere), es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias, cuyas constantes más importantes son:

Unos valores en supercie al nivel del mar de:

Temperatura: 15ºC (59ºF).

Presión: 760 mm o 29,92" de columna de mercurio, equivalentes a 1013,25 hPa por cm².

Densidad: 1,225 kg. por m³. Aceleración debido a la gravedad: 9,8 m/segundo².

Velocidad del sonido: 340,29 m/segundo.

Un gradiente térmico de -6,5ºC por cada 1000 metros (-1ºC por cada 154 metros) de altura o -1,98ºC por cada 1000 pies (305 metros), hasta la tropopausa que se mantiene constante en -56,5ºC.
Un descenso de presión de 1" por cada 1000 pies de altura, o 1 hPa (mb) por cada 9 metros, o 110 hPa (mb) por cada 1000 metros.
La tropopausa se establece en 11.000 metros o su equivalente 36.089 pies.

En resumen, la atmósfera estándar se ha denido como un aire ideal desprovisto de humedad, vapor de agua u otras partículas en suspensión, y que obedece a la ley de los gases perfectos. Esta atmósfera tipo denida por la OACI sirve como patrón de referencia, pero muy raramente un piloto tendrá ocasión de volar en esta atmósfera estándar. En el apartado Descargas puede encontrar una hoja excel con datos sobre la atmósfera ISA.

De todos los valores anteriores, los más familiares en aviación son: a nivel del mar una temperatura de 15ºC y una presión de 1013 hPa o 29.92", y por cada 1000 pies de altura una disminución de 1,98ºC de temperatura y 1" de presión.

Como curiosidad, aconsejo bajarse un simulador de Atmósfera de la N.A.S.A "Atmosphere Applet" que aunque está hecho en Java e Internet Explorer, permite ir, jugando con distintos parámetros y ver los valores obtenidos.

La N.A.S.A. tiene también una página web, especialmente pensada para los niños ¡¡en español!! dedicada a la ciencia, muy, muy recomendable.

Sumario:

Las características básicas del aire como uido son: presión, temperatura y densidad.
Presión atmosférica es la fuerza que ejerce la atmósfera por unidad de supercie.
La presión es inversamente proporcional a la altura, a mayor altura menor presión.
Cuanto más alejadas están las capas de aire de la tierra menos calor reciben de esta, lo cual implica que a medida que aumenta la altura disminuya la temperatura: a mayor altura menor temperatura.
Densidad del aire es la cantidad de masa del mismo por unidad de volumen.
La densidad es directamente proporcional a la presión: a mayor presión mayor densidad, e inversamente proporcional a la temperatura: "a mayor temperatura menor densidad".
En la densidad inuye más el cambio de presión con la altura que el cambio de temperatura por lo que a mayor altura menor densidad.
El aire húmedo tiene menor densidad que el aire seco debido a su contenido de vapor de agua.
El aire caliente retiene más vapor de agua, mientras que el aire frío retiene menos.
La atmósfera tipo o estándar, conocida como atmósfera ISA, es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas medias.
Los valores estándar a nivel del mar son: 1013,25 hPa o 29,92” de presión y 15ºC de temperatura.
El descenso de presión estándar es de 1" por cada 1000 pies de altura, o 1 hPa por cada 9 metros (110 hPa por cada 1000 metros).
El gradiente térmico estándar es de -6,5ºC por cada 1000 metros de altura o -1,98ºC por cada 1000 pies (305 metros).
La tropopausa se considera establecida en 11.000 metros o su equivalente 36.089 pies.