Aire
El aire es el principal fluido
estudiado en la aerodinámica, y como vimos anteriormente está compuesto de
nitrógeno, oxígeno y diversos gases como el dióxido de carbono, argón, helio,
etc. Pero debemos saber también que posee diversas propiedades las cuales nos
sirven de estudio para conocer el comportamiento de un objeto dependiendo las
condiciones en que el aire se encuentre. Dichas propiedades son:
- Presión: Es la cantidad de fuerza que ejerce un objeto sobre una determinada área.
- Temperatura: Se refiere a la transferencia de energía entre dos cuerpos.
- Densidad: Cantidad de masa contenida en un determinado volumen.
- Humedad: Es una propiedad que describe el contenido de vapor de agua presente en un gas.
La atmósfera es la masa total que
se extiende en cientos de kilómetros, puede compararse con una pila de sábanas,
el aire que se encuentra en la parte más alta de la pila de sábanas, tendrá una
presión muy inferior a la que se encuentra al fondo de la misma pila. EL aire
en la superficie de la Tierra puede ser comparada con el fondo de la pila de
sábanas porque soporte el peso de todas las capas sobre ella. Por lo tanto, la
presión estática del aire a cualquier altitud es el resultado de la masa de
aire que soporta dicha capa sobre sí misma en ese instante.
El término “presión” puede ser
definido como una fuerza actuando sobre un área determinada, por ejemplo, si
una fuerza de 5 lb está actuando sobre un área de 1 in, existirá una presión de
5 psi. En cambio, si existe una fuerza aplicada de 20 lb en un área de 2 in, la
presión resultante será de 10 psi. El aire siempre es presionado hacia abajo por
el peso del aire que está sobre él. La presión atmosférica (o estática) en
cualquier lugar es igual al peso de una columna de aire sobre ese punto en
específico y puede ser representada por una columna de agua o mercurio de igual
peso.
Una “atmósfera estándar” fue
adoptada por la NASA (National Aeronautics and Space Administration). Esta
atmósfera estándar es totalmente arbitraria, pero provee una referencia que
puede ser estudiada por todos aquellos involucrados con las condiciones del
ambiente. Por lo tanto, tenemos una presión a nivel del mar de 29.92 inHg o
14.69 psi.
Desde que el aire tiene un peso, es fácil reconocer que la presión de la atmósfera va a variar respecto a la altitud. Esto es ilustrado en la Figura 3-4, hay que observar como a 20000 ft la presión es menos de la mitad que la presión a nivel del mar. Esto quiere decir que más de la mitad de la atmósfera descansa por debajo de los 20000 ft incluso si el resto de ella se extiende por cientos de kilómetros sobre la Tierra.
La tabla 3-1 muestra las diferentes presiones y temperaturas del aire
respecto a la altitud. Dicha tabla ha sido basada en condiciones estándar
propuestas por la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional).
Temperatura.
Bajo condiciones estándar, la
temperatura del aire decrece aproximadamente 1.98 °C por cada 1000 t de altitud
hasta que se llega a unos 38000 ft, donde la temperatura se mantiene constante
a unos -56.5 °C.
Densidad.
La densidad del aire es una
propiedad de gran importancia en el estudio de la aerodinámica. El aire es
compresible, como está ilustrado en la Figura 3-5, por lo tanto, mientras más
se comprime se vuelve más denso, debido a que la misma cantidad de aire ocupa
un menor espacio, por lo tanto, podemos afirmar que la densidad varía con la
presión.
Por propósitos de computación
aerodinámica, la densidad está representada por la letra griega ρ
(rho), indicando densidad de masa en slugs/ft3. El slug es una unidad de masa
con un valor de aproximadamente 32.175 lb, bajo condiciones estándar de
gravedad. Así mismo es necesario aclarar la diferencia entre masa y peso,
debido a que la masa se puede definir como el empuje ejercido por la Tierra
sobre una pieza de materia sin tomar en cuenta la gravedad, mientras que en el
peso sí incluye la fuerza de gravedad.
La ley general de los gases
define la relación entre temperatura, presión y densidad cuando no hay
transferencia de calor o un cambio de estado. En palabras sencillas, esta ley
nos dice que la densidad varía directamente con la presión e inversamente
proporcional con la temperatura. En un día caliente, el aire se expande, por lo
cual se vuelve más delgado, o menos denso, en cambio, en un día frío, el aire
se contrae, por lo cual se vuelve más denso.
Los cambios en la densidad del
aire influyen en el vuelo de un avión. Con el mismo empuje, un avión puede
volar más rápido en grandes altitudes, donde la densidad es baja, esto es
porque el aire ofrece menor resistencia al avión cuando contiene un menor
número de partículas de aire por unidad de volumen. Pero ahora, vamos a la
contraparte, debido a que mayor altitud, el rendimiento de los motores
disminuye.
Humedad.
A la propiedad que describe el
contenido de vapor de agua presente en un gas, se le conoce como “humedad”. La
máxima cantidad de vapor de agua que el aire puede mantener depende de la
temperatura del aire; mientras más alta sea la temperatura del aire, puede absorber
una mayor cantidad de vapor de agua. Por
sí mismo, el vapor de agua pesa aproximadamente cinco octavos del aire
perfectamente seco.
Asumiendo que la presión y la
temperatura se mantienen iguales, la densidad del aire varía con la humedad. En
un día húmedo la densidad del aire es menor que en un día seco.
