La curva de potencia necesaria

La curva de potencia necesaria es una gráfica que relaciona la velocidad en vuelo horizontal con la potencia necesaria para mantener dicha velocidad sin ganar ni perder altitud. Merece la pena que la conozcamos ya que presenta mucha información de forma  intuitiva sobre las prestaciones y el comportamiento del avión. Algunas de las velocidades importantes que aparecen en el manual de vuelo de nuestros aviones salen directamente de esta gráfica.

Antes de comenzar a hablar de la curva de potencia es necesario recordar algunos conceptos básicos acerca de las fuerzas que actúan sobre el avión en vuelo. Como sabemos las 4 fuerzas son la sustentación, el peso, la resistencia y el empuje. Estas fuerzas se compensan dos a dos. La sustentación compensa al peso y el empuje compensa la resistencia. En vuelo recto y nivelado a velocidad constante la resultante neta de todas estas fuerzas es cero. La sustentación es igual al peso (en realidad es igual al peso más la fuerza hacia abajo ejercida por la cola para mantener la estabilidad del avión) y el empuje es igual a la resistencia. De estas 4 fuerzas, la que se relaciona directamente con la curva de potencia es la resistencia. Y como veremos luego, también el empuje.

Resistencia

Es la fuerza que se opone al movimiento del avión a través del aire. Hay dos tipos de resistencia, parásita e inducida.

 Resistencia parásita: Todos la conocemos, es la fuerza que nos empuja el brazo hacia atrás cuando lo sacamos por la ventanilla del coche en marcha. Es el resultado de las presiones que actúan sobre el avión cuando se mueve abriéndose camino en la atmósfera forzando al aire a moverse a su alrededor y creando una estela turbulenta por detrás. Su magnitud depende de la forma del avión. También forma parte de la resistencia parásita la fuerza de rozamiento entre las distintas capas de aire que se mueven muy próximas a la superficie del avión (capa límite). Otro tipo de resistencia parásita es la denominada resistencia de interferencia que es la resistencia adicional que se produce por la interferencia entre el flujo de aire en las uniones ala-fuselaje, cola-fuselaje, etc. Si medimos la resistencia parásita total del avión vemos que es mayor que la suma de la resistencia parásita del ala por un lado y del fuselaje por otro. La diferencia es la resistencia de interferencia. En definitiva, la resistencia parásita es la suma de las resistencias de forma, de fricción y de interferencia. Es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad, es decir, si doblamos la velocidad la resistencia parásita se multiplica por 4. A poca velocidad su valor es pequeño pero a medida que ganamos velocidad crece muy rápidamente.

 Resistencia inducida: Es una forma completamente distinta de resistencia y está asociada directamente con la generación de sustentación del ala. No vamos a entrar aquí a describir en detalle como se genera la sustentación. Basta con decir que el ala al generar sustentación deflecta el aire hacia abajo un cierto ángulo. La diferencia de presión entre el extradós y el intradós produce  un flujo de aire circular alrededor de los marginales del ala  desde el intradós hacia el extradós y esto induce un flujo de aire hacia abajo por detrás del ala. Como consecuencia el ángulo de ataque del viento relativo local que nota el ala disminuye. La sustentación, por definición, actúa perpendicularmente al viento relativo, por tanto, se inclina ligeramente hacia atrás como podemos ver en el gráfico a continuación. Si descomponemos la fuerza vemos que aparece una componente vertical y otra horizontal. La componente vertical es la que se encarga de compensar el peso y la horizontal es la resistencia inducida. Cuanto mayor sea el ángulo que el ala deflecta al viento relativo mayor será la resistencia inducida y viceversa.

La resistencia inducida es inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad, es decir a poca velocidad es grande y a mucha velocidad es pequeña. Si disminuimos la velocidad a la mitad, la resistencia inducida es 4 veces mayor.

 Resistencia total: La resistencia total del avión en vuelo es la suma de la resistencia inducida y la resistencia parásita. Si combinamos las dos gráficas anteriores y añadimos la curva de la resistencia total obtendremos la gráfica a continuación. 

Vemos que a poca velocidad predomina la resistencia inducida y a mucha velocidad predomina la resistencia parásita. También vemos que hay una velocidad en la que la resistencia total es mínima y que corresponde al punto en que la resistencia inducida y la parásita son iguales. Por debajo de esta velocidad la resistencia total aumenta por efecto de la resistencia inducida y por encima lo hace como consecuencia de la resistencia parásita. En vuelo recto y nivelado a velocidad constante el empuje es igual a la resistencia. Por tanto en las gráficas anteriores podemos sustituir la palabra resistencia por la palabra empuje de manera que las gráficas representarían el empuje necesario para poder mantener una velocidad determinada sin perder ni ganar altitud. Es decir, la fuerza de empuje que la hélice debe producir para vencer la resistencia generada por el avión al moverse en el aire. Si el empuje es mayor que la resistencia el avión acelerará y si es inferior decelerará.

Potencia necesaria y potencia disponible

Hasta ahora hemos estado tratando con fuerzas, pero resulta difícil medirlas. ¿Como medimos la resistencia que genera el avión a cada velocidad?. Se puede hacer pero es complicado. Es más conveniente usar una magnitud mucho más fácil de medir como la potencia del motor. Si en lugar de relacionar la velocidad con la resistencia generada (empuje necesario) la relacionamos con la potencia de motor necesaria para mantener esa velocidad sin perder ni ganar altitud obtenemos una gráfica con una forma muy similar a la de la resistencia total. Es la curva de potencia necesaria. 

A primera vista vemos que hay una velocidad en que la potencia necesaria es mínima y que corresponde al punto más bajo de la curva. También vemos que por debajo o por encima de esta velocidad, se necesita más potencia. Y por último vemos que para una misma potencia podemos volar a baja velocidad (punto A) o a alta velocidad (punto B). La curva de potencia se divide en dos zonas, por debajo de la velocidad de mínima potencia necesaria volamos en la zona trasera o segundo régimen y por encima de dicha velocidad volamos en la zona frontal  o primer régimen. En el punto A volamos en segundo régimen mientras que en el punto B volamos en primer régimen. Para cada velocidad en el lado trasero, existe una velocidad en el lado frontal que requiere exactamente la misma potencia.

La diferencia entre el primer y el segundo régimen es que se invierte la relación entre la velocidad y la potencia. En primer régimen hace falta más potencia para volar más rápido mientras que en segundo régimen, hace falta más potencia para volar más lento. 

La gráfica anterior es una gráfica genérica y no representa a ningún avión concreto. Cada avión particular tiene una curva especifica con unos valores de velocidad y potencia necesaria específicos. Además, para un mismo avión la gráfica es diferente en función de la posición de los flaps, del tren de aterrizaje, peso, etc. Lo importante es que independientemente de los valores concretos de potencia y velocidad, la curva de potencia necesaria siempre tiene una forma similar a la de la gráfica anterior. La curva varía en función de la configuración del avión y de la altitud. Cualquier cosa que aumente la resistencia del avión hace que la curva se desplace hacia arriba. Evidentemente si la resistencia es mayor, hace falta más empuje para contrarrestarla y para conseguir ese empuje hace falta más potencia de motor. Un aumento de la altitud también hace que la curva se desplace hacia arriba.

El motor, en función de las RPM, de la presión de admisión y de la densidad atmosférica genera una cierta cantidad de potencia que está disponible en el cigüeñal. La reductora la transmite a la hélice pero debido al rozamiento parte de esa potencia se disipa. Por otro lado no hay ninguna hélice que sea 100% eficaz. Así que si el motor genera 80 HP con gas a tope se pierden, por decir algo, 2 HP en la reductora de modo que a la hélice llegan 78 HP, si la hélice tiene una eficacia del 85% realmente solo se está aprovechando energía por valor de 66 HP (78x 0.85). De los 80 HP que es capaz de generar el motor, realmente solo  66 HP se transforman en empuje efectivo.

La eficacia de la hélice no es un valor constante sino que varía con la velocidad. La gráfica a continuación es un ejemplo típico de curva de potencia disponible. Representa la máxima potencia que el motor-reductora-hélice es capaz de producir con el gas a fondo. Para cualquier otra posición de gas las tres curvas se desplazan hacia abajo. Vemos que evidentemente, la potencia generada por el motor no varía con la velocidad. Pero la potencia entregada por la hélice si lo hace.

Para aviones con hélice de paso fijo la posición vertical de la curva de potencia disponible varia en función de las RPM, y de la altitud. Si damos gas la gráfica se desplaza hacia arriba, si quitamos gas, se desplaza hacia abajo. Un aumento de altitud hace que la curva de potencia disponible se desplace hacia abajo y una disminución de la altitud hace que se desplace hacia arriba, como sabemos a mayor altitud (aire menos denso) el motor genera menos potencia y a menor altitud (aire más denso) el motor genera más potencia para una misma posición del mando de gas.

La energía total del avión es la suma de la energía potencial debida a la altura y la energía cinética debida a la velocidad. El motor-hélice lo que hace es aportar energía al avión. Cuanta más potencia tenga el motor más rápido será el aporte de energía. Dentro de unos límites podemos convertir ese aporte de energía en energía potencial ganando altitud o en energía cinética ganando velocidad. Los mandos que usamos son el gas para controlar la potencia disponible y la palanca de mando para controlar la velocidad. 

Si  superponemos las curvas de potencia necesaria y de potencia disponible con gas a fondo obtenemos la siguiente gráfica.

Podemos ver que hay una velocidad en que las dos curvas se cortan en un punto. Este punto corresponde a la máxima velocidad que el avión es capaz de mantener con gas a fondo sin variar la altitud (Vmax). No es la VNE. Se puede volar más rápido que Vmax pero sólo a costa de perder altitud. A baja velocidad normalmente las dos curvas no se cortan, esto se debe a que por lo general nuestros aviones entran en pérdida antes de poder aprovechar el exceso de potencia disponible respecto a la potencia necesaria.

Para volar a 150 Km/H y altitud constante la potencia necesaria es Pn. Si el piloto ajusta el mando de gas de manera que la potencia disponible sea exactamente Pn el avión volará a 150 Km/H. Lo que hace el piloto al ajustar el gas es mover la curva de potencia disponible arriba y abajo de manera que corte a la curva de potencia necesaria en el punto correspondiente a 150 Km/H. Si se quiere volar a 165 Km/H se ajusta el gas para que la curva de potencia disponible corte a la de potencia necesaria en el punto correspondiente a 165 Km/H. 

Pero con gas a fondo a 150 Km/H la potencia disponible es Pd. Claramente Pd es mayor que Pn. De hecho, con gas a fondo, a cualquier velocidad por debajo de Vmax la potencia disponible es superior a la potencia necesaria, la curva de potencia disponible está por encima de la curva de potencia necesaria. El motor-hélice produce más potencia de la que el avión necesita. Ese exceso de potencia implica que la energía total del avión aumenta, es decir, el avión o bien asciende o bien acelera. Si el piloto mantiene la velocidad constante tirando de la palanca para que el avión no acelere y siga volando a 150 Km/H el exceso de potencia se transformará en energía potencial y el avión ascenderá a un régimen proporcional al exceso de potencia. Si el piloto mantiene la altitud constante empujando la palanca para que el avión no suba el exceso de potencia se transformará en energía cinética y el avión acelerará hasta alcanzar Vmax. 

Por encima de Vmax la potencia disponible es inferior a la potencia necesaria. La curva de potencia disponible está por debajo de la curva de potencia necesaria. Es decir, hay un déficit de potencia, el motor-hélice produce menos potencia de la que el avión necesita y la energía total del mismo disminuye. El avión no puede volar por encima de Vmax manteniendo la altitud. Evidentemente tampoco puede trepar dado el déficit de potencia. La única forma en que puede volar más rápido de Vmax es descendiendo y transformando energía potencial en energía cinética.

En la gráfica siguiente podemos ver que si el piloto quita gas la curva de potencia disponible baja y las curvas se cortan en dos puntos. Uno, igual que antes,  corresponde a la máxima velocidad a la que el avión puede volar sin variar la altitud con esa posición del mando de gas.  La potencia necesaria es P2. En el otro punto de corte, situado en el lado trasero de la curva, volamos a la velocidad Vp1 con la potencia P1. Por debajo de VP1 hay un déficit de potencia, entre VP1 y Vmax hay exceso de potencia y por encima de Vmax vuelve a haber déficit de potencia. Para poder volar por debajo de Vp1 manteniendo la altitud es necesario que el piloto ajuste el gas y suba la curva de potencia disponible ya que la potencia necesaria para poder volar más lento aumenta debido a la resistencia inducida, si el piloto no ajusta el gas el avión inevitablemente comenzará a descender.  Para poder volar más rápido de Vp1, siempre y cuando nos mantengamos en el lado trasero, una vez más el piloto debe ajustar el gas para bajar la curva de potencia disponible ya que la potencia necesaria es menor.

El vuelo en primer régimen

Supongamos que estamos volando a 1000 pies y 150 Km/H con los gases ajustados para generar la potencia correspondiente al punto rojo central de la gráfica siguiente. Las coordenadas del punto rojo son la velocidad y la potencia disponible, en este caso también coincide con la intersección de las curvas de potencia necesaria y potencia disponible. 150 Km/H es una velocidad superior a la de mínima potencia necesaria, por tanto estamos volando en primer régimen. En estas condiciones la velocidad es constante y la altitud no cambia.

Si disminuimos las RPM del motor este genera menos potencia, hay menos potencia disponible de la que se necesita. Por tanto el avión no puede seguir volando a 150 Km/H. Si mantenemos la altitud constante el avión decelerará hasta la velocidad en que la potencia necesaria sea igual a la potencia disponible con las nuevas RPM del motor. En cambio, si mantenemos la velocidad constante el avión descenderá. El régimen de descenso será más grande cuanto mayor sea el déficit de potencia.

Si en las mismas condiciones anteriores aumentamos las RPM el motor genera más potencia, hay más potencia disponible de la que se necesita. Si mantenemos la altitud constante el avión esta vez acelerará hasta la velocidad en que la potencia necesaria sea igual a la potencia disponible con las nuevas RPM del motor. Si mantenemos la velocidad constante el avión comenzará a ascender y la velocidad de ascenso será proporcional al exceso de potencia.

Si en lugar de aumentar o disminuir la potencia empujamos la palanca hasta alcanzar 160 Km/H el punto rojo se desplaza hacia la derecha. A la nueva velocidad hay un déficit de potencia y el avión comenzará a descender a menos que demos gas hasta que la potencia disponible sea igual a la potencia necesaria para volar a 160 Km/H o volvamos de nuevo a volar a 150 Km/H. Si tiramos de la palanca para reducir la velocidad a 140 Km/H el punto rojo se desplaza a la izquierda, la potencia necesaria para volar a 140 Km/h es menor que la necesaria para volar a 150 Km/H, por tanto hay un exceso de potencia y el avión comenzará a ascender a menos que quitemos gas o volvamos de nuevo a los 150 Km/H. 

El vuelo en primer régimen es intuitivo, si damos gas y mantenemos la altitud aceleramos si quitamos gas y mantenemos la altitud deceleramos, como un automóvil. Si damos gas y mantenemos la velocidad ascendemos, si quitamos gas y mantenemos la velocidad descendemos.

El vuelo en segundo régimen

Siempre que volamos por debajo de la velocidad de mínima potencia necesaria estamos volando en segundo régimen, en la parte trasera de la curva.

Supongamos ahora que volamos a 1000 pies y 90 Km/H con el gas ajustado para mantener la velocidad y no perder ni ganar altitud, en el punto rojo de la gráfica anterior. Como antes, el punto rojo también coincide con la intersección de las curvas de potencia necesaria y potencia disponible. Si reducimos las RPM y mantenemos la altitud el avión decelera. Como estamos en la parte trasera de la curva, al reducir la velocidad la potencia necesaria para mantener la altitud aumenta. Cuanto más decelere el avión, mayor será el déficit de potencia. Por tanto, el avión continuará decelerando hasta entrar en pérdida (punto D), a menos que demos gas para lograr que la potencia disponible y la potencia necesaria sean iguales o bajemos el morro para mantener la velocidad a costa de comenzar a descender. Cuanto más lento deseemos volar mayor potencia necesitaremos para mantener la altitud.

Si en vez de reducir las RPM las aumentamos, la potencia disponible crece con respecto a la potencia necesaria, hay exceso de potencia y el avión ascenderá o acelerará. Si queremos mantener la altitud la velocidad aumentará pero como hemos visto, en segundo régimen hace falta menos potencia para volar más rápido. Suena extraño pero es así. El hecho de quitar gas no hace que el avión acelere automáticamente. Sigue siendo necesario dar gas para acelerar (punto A) pero una vez el avión alcanza la nueva velocidad mayor (dentro del lado trasero de la curva) la potencia necesaria para mantenerla disminuye (punto B) con respecto a la que hacia falta para mantener la velocidad anterior. Si una vez alcanzada la nueva velocidad mayor no quitamos gas para ajustarlo a la nueva potencia necesaria el avión continuará acelerando hasta alcanzar la velocidad del lado frontal que corresponde a la potencia ahora disponible (punto C). De la misma forma, aumentar las RPM no hace que el avión vuele más lento automáticamente. El piloto debe reducir la potencia para decelerar el avión y luego  aumentarla para mantener la nueva velocidad inferior. La potencia final será mayor que la necesaria para volar más rápido.

Si en lugar de actuar sobre el mando de gas actuamos sobre la palanca para volar a 100 Km/H el razonamiento es el mismo que en el vuelo en primer régimen pero a la inversa. Es decir, tendremos que ajustar el gas para volar a la nueva velocidad. En este caso tendremos que quitar gas, si no lo hacemos comenzaremos a ascender a 100 Km/H.  Pero si movemos la palanca para mantener 80 Km/H tendremos que dar gas o comenzaremos a descender.

Comparando el vuelo en primer y en segundo régimen vemos que en primer régimen dentro de unos límites si tiramos de la palanca ascendemos y si la empujamos descendemos pero en segundo régimen ocurre lo contrario, es decir si tiramos de la palanca descendemos y si la empujamos ascendemos. Esta es la naturaleza insidiosa del segundo régimen. Y es por esto que controlamos la altitud con el mando de gas y la velocidad con la palanca, especialmente durante la aproximación para el aterrizaje.

Aunque es extraño, podemos volar indefinidamente en segundo régimen, no pasa nada. El problema aparece cuando lo hacemos cerca del suelo, por ejemplo en una aproximación y nos empeñamos en disminuir el régimen de descenso tirando de la palanca. Lo que conseguimos es todo lo contrario, lo aumentamos o entramos en pérdida. Y cerca del suelo quizá no tengamos el espacio o el tiempo necesario para hacer las correcciones con el gas y la palanca. Quizá sea esta la causa detrás de algunas de esas corrientes descendentes inexplicables que acechan cerca de las pistas y que desestabilizan los aviones en aproximación final.

Algunas velocidades importantes

Podemos una vez más representar en una misma gráfica las curvas de potencia necesaria y potencia disponible. Pero en esta ocasión nos fijaremos en algunas características destacables y veremos de donde salen algunas velocidades importantes del avión.

V L/D: Si trazamos una línea recta desde el origen de coordenadas de forma que sea tangente a la curva de potencia necesaria podremos leer V L/D justo debajo del punto de tangencia. Es la velocidad de máxima eficacia del avión y es importante ya que basándonos en ella podemos obtener otras velocidades igualmente importantes. Esta es la velocidad a la que el avión tiene el máximo planeo, es decir, a la que recorre la máxima distancia horizontal posible para una altitud determinada. Es la velocidad que nos permitirá llegar más lejos con el combustible disponible. Imaginad que estáis sobre el mar con poco combustible y queréis llegar a la costa, lo mejor es volar a V L/D. No es una velocidad especialmente rápida, llegaremos más lejos aunque invertiremos una considerable cantidad de tiempo. Como otras velocidades, V L/D varía con el peso así que si quisiéramos ser precisos al 100% deberíamos corregir constantemente V L/D para tener en cuenta la disminución de peso a medida que se consume combustible. En la práctica la diferencia es pequeña y podemos usar un valor constante para V L/D.

V mínima potencia:  Corresponde al punto más bajo de la curva de potencia necesaria. A esta velocidad podemos mantener la altitud con el mínimo gas posible. Cuanto menos gas menos consumo de combustible, por tanto se tardará más tiempo en consumirlo. Esta es la velocidad a la que volaremos cuando deseemos estar más tiempo en el aire. Imaginad que justo antes de llegar al destino veis una cortina de agua sobre el campo y queréis esperar a que deje de llover para aterrizar,  o que voláis junto a otros aviones más lentos y de vez en cuando paráis para esperarlos. Con un margen de error muy pequeño la velocidad de mínima potencia necesaria es aproximadamente un 75% de V L/D. Es decir, si V L/D es 100 Km/H, V min pot es 75 Km/H.

V Carson: Hemos visto antes que V L/D es la velocidad a la que podemos llegar más lejos con el combustible disponible. Pero no es una velocidad especialmente rápida así que invertiremos bastante tiempo en llegar. A veces no disponemos del tiempo necesario pero si de combustible suficiente. Imaginad que debéis llegar al destino antes del ocaso. Quizá manteniendo V L/D esto no sea posible. V Carson es aquella velocidad en la que un aumento significativo de la velocidad que implica una disminución considerable del tiempo de vuelo lleva asociado un menor incremento en el consumo de combustible. Es decir, es la velocidad a la que la disminución del tiempo de vuelo implica un menor consumo extra de combustible. Debe su nombre a B.H Carson, el ingeniero que hizo los cálculos necesarios. La velocidad de Carson es un 32% mayor (exactamente un 31.6%) que la velocidad de máximo planeo V L/D. Si V L/D es 100 Km/H, entonces V Carson es aproximadamente 132 Km/H. A veces la velocidad de Carson se llama también velocidad óptima de crucero ya que permite disminuir el tiempo de vuelo con un mínimo incremento del consumo de combustible. ¿Es mejor volar a V L/D o a V Carson?. Depende, si estamos sobre el mar o sobre el desierto con combustible limitado es mejor usar V L/D pero si tenemos prisa por llegar y tenemos suficiente combustible es mejor usar V Carson.

Vy:Es la velocidad de máximo régimen de ascenso, es decir, la velocidad a la que ascenderemos más rápido por unidad de tiempo. Como hemos visto antes, para que podamos ascender hace falta un exceso de potencia disponible respecto a la potencia necesaria. Lógicamente cuanto mayor sea este exceso de potencia más energía extra existirá para ascender. Vy corresponde al punto en que la distancia vertical entre la curva de potencia disponible y la curva de potencia necesaria es mayor. Como hemos visto, la potencia necesaria cambia en función de la altitud y el peso y la potencia disponible cambia con la altitud. Por tanto, el valor de Vy también cambia en función de la altitud y el peso. 

Vs y Vmax : Son respectivamente la velocidad de pérdida y la velocidad máxima a altitud constante para una potencia disponible determinada (en el caso de la gráfica anterior con gas a fondo). Vs no depende de la potencia sino de las características aerodinámicas y el peso del avión. En cambio Vmax depende de las características aerodinámicas y de potencia del avión. Cuanto menos resistencia tenga el avión y más potencia tenga el motor mayor es Vmax.