La altitud de densidad

Es la altitud de presión corregida por variaciones no estándar de la temperatura. Tras esta definición tan anodina, se esconde uno de los conceptos que más influyen en las prestaciones de nuestros aviones. Si en alguna ocasión usaste demasiada pista en el despegue y tu trepada fue tan escasa que a duras penas conseguiste salvar los árboles al final, quizá fue esta tu primera cita con la altitud de densidad. Veremos con más detalle  y de manera práctica que es, cómo nos afecta y cómo calcularla.

Sabemos que los aviones se mantienen en la atmósfera por el efecto del aire en movimiento sobre su superficie. Al avanzar el avión, el aire a su alrededor, es perturbado y esto provoca cambios de presión que generan fuerzas, algunas de las cuales permiten contrarrestar el peso. Cuantas más moléculas de aire se vean implicadas en este proceso, más grandes serán las fuerzas generadas y, por tanto, mayor será la sustentación. Una medida de la cantidad de moléculas es la densidad que se define como la masa por unidad de volumen. A mayor número de moléculas por volumen, mayor es la densidad y viceversa. Cualquier cosa que disminuya la densidad del aire, disminuirá también la sustentación generada por las alas y por tanto, el rendimiento del avión.

Además, la densidad también afecta al motor ya que este necesita aire para funcionar. Si se disminuye la cantidad de aire que entra al motor, disminuye la potencia que genera con todo lo que ello implica. Por último, y por si fuera poco, el empuje generado por la hélice también disminuye al reducirse la densidad.

En ocasiones, cuando la densidad es muy pequeña, la sustentación que generan las alas  es insuficiente para permitir que el avión despegue en la pista disponible, o bien, este sólo puede hacerlo apoyándose en el efecto suelo y con el motor generando escasa potencia. En este escenario, el resultado es previsible y nada halagüeño. Por tanto, es importante que el piloto tenga conocimiento de la densidad del aire que le rodea para poder estimar las prestaciones de su avión de una forma objetiva. La altitud de densidad es la cifra a tener en cuenta.

Los manuales del piloto describen las prestaciones del avión en forma de tablas y gráficos confeccionados por ingenieros. Podemos ver a continuación un par de estos gráficos, uno que corresponde al régimen de ascenso en función de la altitud de un Tecnam P-92 y otro que permite calcular la distancia necesaria para despegar y salvar un obstáculo con un Diamond Da-20 Katana en función de la temperatura, la altitud de presión, el peso, el componente de viento en cara y la altura del obstáculo. 

Estos gráficos se basan en el concepto de atmósfera estándar que define unas condiciones de presión y temperatura específicas. En ella, a cada altitud respecto al nivel del mar le corresponde una densidad determinada. A continuación podemos ver una representación de la atmósfera estándar.

La temperatura a nivel del mar es de 15ºC, la presión es de 1013.25 Milibares o lo que es lo mismo, 29.92 pulgadas de mercurio. Hasta la tropopausa la temperatura desciende 2ºC por cada 1000 pies. Sin embargo, la disminución de la presión con la altitud no es lineal como la de la temperatura. La variación es mayor cuanto más bajos estemos, la atmósfera se comprime en las capas inferiores. Casi toda la masa de aire se acumula cerca del suelo. Allí la presión disminuye 1 Milibar cada 9 metros pero a 18000 pies la presión varía 1 Milibar cada 17 metros.

Como las condiciones atmosféricas reales rara vez coinciden con las estándar, es necesario “ajustar” los parámetros del momento a la atmósfera estándar para poder comparar prestaciones. La altitud de densidad corresponde a una altitud en la atmósfera estándar, justo aquella en que la densidad del aire equivale a las condiciones locales del momento. Cuanto menor sea la densidad del aire, mayor es la altitud de densidad y peor es el rendimiento del motor, de la hélice y del avión. Podemos decir que la altitud de densidad es la altitud a la que el avión "piensa" que está volando. Aunque el avión esté fisicamente a 2500 pies, si la densidad del aire equivale a la que hay en la atmósfera estándar a 4000 pies, el avión se comportará como si estuviera volando a 4000 pies y su rendimiento será inferior al que correspondería a 2500 pies.

La altitud de densidad depende fundamentalmente de cuatro factores, elevación, presión barométrica, temperatura y humedad.

   Elevación y presión barométrica

Estos dos factores se combinan en la altitud de presión que en pocas palabras es lo que indica el altímetro cuando se ajusta a 1013 Milibares. Evidentemente, cuanto mayor sea la elevación y menor la presión barométrica, menor será la densidad.

   Temperatura

La densidad del aire varía de forma inversa a la temperatura, es decir, a mayor temperatura menor densidad y viceversa. Por tanto, en un día caluroso es de esperar una menor densidad. El efecto de la temperatura es muy importante y, a veces sorprendente.

    Humedad

El vapor de agua es más ligero (alrededor del 38%) que el aire y esto implica que el aire húmedo pesa menos que el aire seco. La cantidad de vapor de agua que puede absorber un volumen  determinado de aire depende de su temperatura. El aire caliente absorbe mayor cantidad de vapor de agua que el aire frío. Una masa de aire muy caliente y cargado con mucha humedad es muy poco denso. El efecto aislado de la humedad sobre las prestaciones del avión  no es tan significativo como el de la presión y la temperatura por lo que la humedad no se suele tener en cuenta a la hora de calcular la altitud de densidad, sin embargo si queremos hilar fino si debemos considerar su pequeña contribución al deterioro de las prestaciones del avión. Hay que tener la precaución de anticipar un peor rendimiento de la máquina en días de humedad excepcional.

Los efectos negativos de una altitud de densidad elevada son:

-El motor genera menos potencia. (Mucho ruido y pocas nueces).

-La hélice produce menos empuje. (Muchas vueltas y poco viento).

-La aceleración del avión es menor.

-Las carreras de despegue y aterrizaje son mayores.

-La sustentación de las alas es menor.

-El régimen de ascenso es menor.

Las peores condiciones para el vuelo se dan en  un campo de gran elevación, en un día caluroso con baja presión y alta humedad.

Por separado o en combinación, la elevación, presión, temperatura y humedad pueden convertir un vuelo posible en imposible. Cuando la altitud de densidad nos pone cerca de los límites poco podemos hacer ya que no tenemos potestad sobre las condiciones atmosféricas. Nuestras opciones se reducen a tres:

1-    Cancelar el vuelo hasta que mejoren las condiciones.

2-    Reducir al máximo posible el peso prescindiendo de todo lo superfluo.

3- Volar a primera o última hora. Las bajas temperaturas en esos momentos del día, hacen que disminuya la altitud de densidad.

¿Cómo calcular la altitud de densidad?

Un piloto precavido vale por dos y pesa por uno. Para calcular la altitud de densidad, deberá conocer previamente la altitud de presión y la temperatura. Como vimos antes, la altitud de presión es la que indica el altímetro cuando se ajusta a 1013 Milibares.

La altitud de densidad se puede estimar de forma aproximada usando una fórmula, usando un calculador de vuelo o un gráfico. La fórmula es:

Altitud de densidad= Altitud de presión + (120 x (OAT-ISA)) + (Punto de rocío x 20)

La altitud de presión ha de estar en pies.

OAT (Outside Air Temperature) es la temperatura exterior en ºC (la que indica el termómetro).

ISA es la temperatura en ºC que corresponde a la altitud de presión en la atmósfera estándar. Recordemos que en la atmósfera estándar la temperatura a nivel del mar es de 15º C y disminuye 2º C por cada 1000 pies de altitud.
Multiplicar el punto de rocío por 20 es la contribución de la humedad a la altitud de densidad, es una aproximación válida solo cuando el punto de rocío es positivo, preferentemente mayor de 5º C. Cuando el punto de rocío es negativo no lo incluiremos en la fórmula y simplemente nos prepararemos para un peor rendimiento si la humedad es grande. Podemos simplificar el cálculo teniendo en cuenta que multiplicar por 20 es lo mismo que multiplicar por 2 y añadir un cero a la derecha.

Por ejemplo, ajustamos el altímetro a 1013 Milibares y comprobamos que la altitud de presión es de 1000 Pies, el termómetro marca  una OAT de 23º C. El punto de rocío es, digamos, 19º C. La temperatura estándar a 1000 Pies es de 15º - 2º = 13º. Por tanto:

Altitud de densidad=1000 + (120 x (23-13)) + (19 x 20) = 2580 Pies

Si usamos un calculador de vuelo, basta con colocar la altitud de presión frente a la temperatura y leer la altitud de densidad directamente frente a la flecha con la etiqueta "density altitude" tal como muestra la fotografía. En este ejemplo, la altitud de presión es de 5000 Pies, la temperatura 20º C y la altitud de densidad 6900 Pies. A este valor deberíamos añadir el efecto de la humedad multiplicando el punto de rocío por 20.

En caso de utilizar la gráfica a continuación, el procedimiento también es bastante sencillo. En la parte inferior del gráfico vemos una escala de temperaturas, las líneas diagonales que suben de izquierda a derecha, son las altitudes de presión y en el margen izquierdo aparece la escala de altitudes de densidad. La línea diagonal con la etiqueta “Standard temperature” define la variación de la temperatura con la altitud en la atmósfera estándar. Supongamos que la temperatura es  21º C y la altitud de presión 2000 Pies. Localizamos 21º en la escala inferior, ascendemos verticalmente hasta cortar la línea de 2000 Pies y desde allí nos movemos horizontalmente para localizar una altitud de densidad de 3100 Pies.

Otro ejemplo, la altitud de presión es de 2250 Pies y la temperatura 24º C. Como no hay una línea de altitud de presión de 2250 pies la dibujamos entre las líneas de 2000 y 3000 pies. Usando el gráfico de la misma manera que antes, vemos que la altitud de densidad es de 3700 Pies.

Las dos columnas numéricas a la derecha del gráfico nos permiten calcular la altitud de presión cuando no tenemos un altímetro a mano para leerla directamente pero conocemos el QNH. Por ejemplo, estamos en casa y tenemos el METAR a mano del aeródromo más cercano a nuestro campo de vuelo. El procedimiento también es sencillo, basta con localizar el QNH en la columna de la izquierda y sumar la cifra correspondiente de la derecha a la elevación del campo para obtener la altitud de presión. Con esta y la temperatura podemos usar el gráfico normalmente para obtener la altitud de densidad. Por ejemplo, sabemos que el QNH es de 1023 Milibares y la temperatura 27º C. La elevación del campo es de 7257 Pies. Localizamos 1023 Milibares en la columna de la izquierda, en este caso la cifra más cercana es 1022 Milibares, y sumamos el número inmediatamente a su derecha (-257) a la elevación. Obtenemos una altitud de presión de 7000 Pies lo que nos da una altitud de densidad de ¡ 10000 Pies !.

A los valores obtenidos con la gráfica añadiremos si es el caso el efecto de la humedad multiplicando el punto de rocío por 20.

No es mi intención caer en el sensacionalismo o en los detalles macabros pero creo que es buena idea ver un video real de un accidente cuya causa fue la operación con una altitud de densidad elevada y con mucho peso. Pinchando en este texto podéis ver el video. Aunque el avión resultó destruido, afortunadamente no hubo que lamentar víctimas mortales. Os dejo también el informe final del NTSB para que podáis leer toda la información del accidente. Tened en cuenta que el servidor del NTSB a veces es un poco lento y tarda en cargar la información solicitada, si se queda colgado tened paciencia o intentadlo más tarde.

  Conclusiones

Hemos visto como la densidad del aire depende de la elevación, la presión, la temperatura y la humedad. A su vez, las prestaciones del avión dependen de la densidad. Por tanto, el piloto debe ser cuidadoso y calcular la altitud de densidad antes del despegue para saber a que se enfrenta y si está capacitado para irse a la atmósfera con seguridad o por el contrario, es mejor quedarse en tierra. 

La altitud de densidad no es un concepto meramente teórico que, en cualquier caso, afecte sólo a los aviones grandes, es una realidad física que nos afecta directamente y que debemos sopesar antes de despegar sobre todo cuando las temperaturas son elevadas, la presión es baja y el peso al despegue es grande. Tendemos a pensar que los problemas aparecen cuando operamos en campos de gran elevación y que cerca del nivel del mar no vamos a tener problemas. Normalmente es así pero resulta sorprendente ver el efecto de una elevada temperatura incluso cuando la elevación es pequeña. Solemos volar en pistas suficientemente largas y con motores de potencia sobrada pero hay situaciones en que la atmósfera juega en nuestra contra. Debemos ser capaces de identificar estas situaciones y ser precavidos.

Volar es un deporte de personas que piensan, además de mover palancas y pulsar botones, hay que tomar decisiones basándose en el conocimiento, la experiencia y el sentido común. Tengamos en cuenta que el saber no ocupa lugar ni modifica el centro de gravedad. No dejes nada al azar, conoce tu avión y estudia el manual del piloto, sé especialmente precavido cuando la pista es corta, el QNH es bajo y la elevación, la temperatura, la humedad y el peso son grandes. Sé conservador y redondea siempre al alza, más vale calcular una altitud de densidad mayor que la real que al revés.

Y recuerda, nunca despegues con los dedos cruzados.