Cizalladura, cuando la velocidad aparece y desaparece como por arte de magia. (Primera parte)

Hay cosas que tenemos completamente interiorizadas y que tomamos por principios absolutos.

(C) Pepe Ortega 2020

Un ejemplo, sabemos que la velocidad del avión respecto al aire depende de la potencia aplicada y de la resistencia, el viento solamente afecta a la velocidad y a la trayectoria respecto al suelo. Con viento en cara la velocidad respecto al suelo es menor que la velocidad respecto al aire y con viento en cola es mayor, si viene de la derecha nos desvía a la izquierda y viceversa. El viento no afecta a la velocidad respecto al aire que leemos en el anemómetro. Eso es verdad, pero no es toda la verdad, es la parte de la verdad más fácil de explicar y más fácil de entender. Representa el 99.9% del tiempo de vuelo, no el 100%. Sólo es válido cuando el viento es constante o cuando cambia de forma gradual. Pero hay situaciones en que el viento no cambia de forma gradual sino bruscamente. Cuando esto sucede, el viento, o mejor dicho, las variaciones rápidas del viento, sí que pueden afectar a la indicación del anemómetro. Veamos cuales son estas situaciones y como funciona ese 0.1%. En aviación el peligro casi siempre reside en ese pequeño porcentaje que es diferente de lo habitual.

Definimos el viento como el movimiento libre del aire en un espacio tridimensional respecto a la superficie de la Tierra. Se puede representar como un vector y como tal se puede descomponer en tres componentes perpendiculares entre si. Con respecto a la Tierra el viento es la suma del componente Norte/Sur, el componente Este/Oeste y el componente vertical arriba/abajo. Con respecto al avión serían componente de viento frontal en cara/cola, componente de viento cruzado izquierda/derecha y componente vertical arriba/abajo. Normalmente los componentes frontal y cruzado son mayores que el vertical aunque, como siempre, hay excepciones, por ejemplo, los movimientos convectivos o las ascendencias y descendencias orográficas, ondas de montaña, etc.

La cizalladura del viento (para abreviar, cizalladura) es una variación rápida de la velocidad y/o la dirección del viento en una distancia horizontal o vertical pequeña. Se habla de cizalladura horizontal cuando el viento cambia a medida que el avión se mueve hacia delante y de cizalladura vertical cuando el cambio de viento se produce a medida que el avión asciende o desciende, también nos podemos encontrar con una mezcla de ambas. Sea horizontal, vertical o una mezcla, afectará a cada uno de los componentes del viento respecto al avión. Cuanto menor sea la distancia horizontal o vertical en la que cambia el viento y mayor su variación, mayor será la cizalladura y mayor el efecto sobre el avión. La cizalladura se mide en nudos por unidad de distancia, la horizontal en nudos por milla náutica y la vertical en nudos por cada  100 pies. Si el viento aumenta 30 nudos en una distancia de dos millas náuticas, el valor de la cizalladura es de 15 nudos/milla. Si a 2000 pies el viento es del Norte a 15 nudos y a 2200 pies es del Norte  a 55, el valor de la cizalladura es 20 nudos/100 pies. Cuando la cizalladura aparece en el componente frontal del viento se producen fundamentalmente cambios de la velocidad respecto al aire, cuando aparece en el componente vertical se producen cambios en el ángulo de ataque y el factor de carga y cuando aparece en el componente lateral provoca desvíos a izquierda y derecha respecto a la trayectoria del avión sobre el suelo. Además también pueden haber cambios de actitud en cualquiera de los 3 ejes o en todos a la vez.

En esta primera parte nos centraremos en ver como afecta la cizalladura al avión. En una próxima entrega repasaremos las condiciones meteorológicas en que podemos encontrar cizalladura y como debemos reaccionar ante ese encuentro no deseado.

Cizalladura en el componente frontal

Veamos en primer lugar el efecto de una cizalladura en el componente frontal del viento, en cara o en cola, que es la más difícil de entender. En la definición de cizalladura, ¿que significa exactamente variación rápida?, significa más rápida de lo que se necesita para que la velocidad sobre el suelo se “acomode” a la nueva situación de viento. En estas circunstancias particulares sí que varía la velocidad respecto al aire (por tanto la sustentación y la resistencia) y veremos moverse la aguja del anemómetro aún sin haber cambiado la actitud del avión o la potencia del motor. Esto resulta difícil de aceptar para la mayoría de pilotos, simplemente no es intuitivo y contradice su experiencia dentro del 99,9% del tiempo de vuelo. El encuentro con una cizalladura frontal puede provocar desde incómodos cambios en la velocidad, actitud  o trayectoria que deberemos corregir rápidamente hasta pérdida de control del avión. Podemos encontrar cizalladura a cualquier altitud pero si estamos cerca del suelo la situación es más peligrosa, tenemos menos tiempo y espacio para poder corregir cualquier irregularidad.

Los aviones como todo a nuestro alrededor, incluso nosotros mismos, tienen masa, ocupan un volumen y están compuestos de materia. Una de las propiedades de la materia es la inercia que se define como la resistencia de cualquier objeto a cambiar su estado de reposo o movimiento a menos que haya una fuerza externa que lo haga cambiar. Si el avión está parado continuará parado salvo que haya una fuerza que lo haga moverse, si está en movimiento continuará en movimiento a velocidad constante en magnitud y en dirección a menos que haya una fuerza que lo acelere, lo frene o cambie su trayectoria. Es la primera ley de Newton. Como nuestro sistema de referencia inercial es la Tierra y los aviones se mueven respecto a ella, la inercia hace que se “resistan” a cambiar su velocidad respecto al suelo. Un avión no puede cambiar de forma instantánea la velocidad respecto al suelo, necesita un cierto tiempo para hacerlo. Los problemas de la cizalladura se deben a que el viento cambia más rápido de lo que la inercia del avión permite modificar la velocidad respecto al suelo. Las Leyes de la física se han de cumplir siempre, por tanto, cuando el viento frontal cambia rápidamente, de forma transitoria la velocidad respecto al suelo tiende a mantenerse constante durante un tiempo finito.

Comenzaremos con un ejemplo de la vida real en el que no aparecen aviones, quizá no sea absolutamente preciso desde un punto de vista científico pero creo que nos puede ayudar a entender mejor los conceptos. Imaginemos un tren expreso que pasa por una estación a 50 Km/h sin detenerse, en la estación hay una abuelita esperando a que llegue el cercanías de las 9 para ir a la ciudad, dentro del tren hay un niño travieso que corre pasillo arriba y abajo por el vagón. Vamos a repartir papeles de los protagonistas de esta película, el niño es el avión, el tren es el viento y la abuela es una espectadora en tierra firme que ve pasar el avión. Si el niño estuviera sentado en su asiento la abuela lo vería a través de la ventana pasando a la misma velocidad del tren (viento), es el caso de un globo aerostático. Pero hemos dicho que es un niño travieso y como tal no quiere viajar sentado en el asiento, así que corre y salta como loco. El niño se mueve a una velocidad determinada respecto a los asientos dentro del vagón y puede regularla a voluntad, puede elegir ir despacio o rápido y eso no depende de la velocidad a la que se mueve el tren ni de si corre en el mismo sentido que el tren o en sentido contrario. 

Imaginemos al niño corriendo a 10 Km/h dentro del vagón, para otro pasajero sentado en el tren el niño se moverá a 10 Km/h independientemente del sentido en que corra. Si el sistema de referencia es el vagón, el niño se mueve siempre a 10 Km/h. Pero el vagón no es el único sistema de referencia, la abuela que espera en la estación utiliza otro sistema de referencia en el que ella y la estación están en reposo y el tren y el niño están en movimiento, para la abuela el niño no se mueve a 10 Km/h, eso sólo sucedería si el tren estuviera parado que no es el caso. Del mismo modo un astronauta en la Luna utiliza otro sistema de referencia en que la Tierra, la estación, la abuela, el tren y el niño también se mueven rotando alrededor del eje del planeta y girando alrededor del Sol. Podemos continuar más allá imaginando al Sol moviéndose alrededor del centro  de la galaxia pero creo que ya ha quedado suficientemente claro. Aunque la abuela está absolutamente convencida de que está en reposo sabemos que no lo está, asimismo aunque el pasajero en el vagón afirme que el niño se mueve a 10 Km/h, sabemos que  no es cierto, todo depende del sistema de referencia donde nos situemos. Si el niño corre en el mismo sentido en que se mueve el tren la abuela verá pasar al tren (viento) a 50 Km/h y al niño (avión) a 60 Km/h. Este es el caso de un avión con viento en cola.

Si el niño corriera en sentido contrario al de avance del tren la abuela vería pasar el tren a 50 Km/h y al niño a 40 Km/h, este sería el caso de un avión con viento en cara. 

Si el niño moviéndose a 10 Km/h cambiase el sentido de su movimiento mientras el tren pasa por la estación la abuela lo vería pasar primero a 60 Km/h y después a 40 Km/h de espalda (o viceversa). En todos estos escenarios el tren se ha estado moviendo a una velocidad constante de 50 Km/h. 

Si el niño tropieza y se cae chocará con los asientos del vagón a 10 Km/h, esta es su velocidad respecto al tren que solo depende de cuanto quiera correr el niño. La energía del impacto será siempre la misma tanto si corre en el sentido de movimiento del tren como si corre en sentido contrario. Pero echémosle imaginación que es gratis, si al tropezar el niño sale despedido por una ventana el sistema de referencia ya no es el del pasajero del vagón sino el de la abuela. Aunque el niño se movía a 10 Km/h respecto a los asientos del vagón también lo hacía respecto a la estación y la abuela y a más velocidad. Si estaba corriendo en el sentido de avance del tren impactará contra el andén a 60 Km/h, en caso contrario lo hará a 40 Km/h y eso es una diferencia de energía considerable, recordemos que la energía cinética debida al movimiento varia con el cuadrado de la velocidad. Por eso los aviones despeguen y aterrizan con el viento en cara.

Hasta ahora hemos asumido que la velocidad del tren es constante, hemos permanecido cómodamente en la zona de confort dentro del 99,9% de las situaciones pero, igual que en aviación, el 99,9% no es el 100%. Incluso si el tren cambiase la velocidad pero lo hiciera lentamente todo seguiría siendo igual para el niño, su velocidad con respecto a la estación cambiaria tan lentamente que no tendría problemas para seguir corriendo dentro del vagón mientras su velocidad respecto a la estación se va modificando. Pero dejemos la comodidad atrás y adentrémonos en el 0.1% donde el niño (avión) tiene problemas. Imaginemos que el niño se mueve en el sentido del tren y que mientras este pasa por la estación a 50 Km/h el maquinista ve por delante un coche que se queda parado dentro de las vías en un paso a nivel, automáticamente intentará detener el tren para no arrollarlo. Y eso significa que la velocidad disminuirá muy rápidamente, la abuela verá como el tren frena bruscamente. Pero debido a la inercia el niño, que no está sentado sino corriendo por el pasillo a 10 Km/h en el mismo sentido que el tren, tenderá a mantener su velocidad inicial respecto a la estación constante y saldrá despedido hacia delante, eso le hará perder el equilibrio. De forma muy rápida aunque no instantánea el tren pasa de 50 a 30 Km/h, (el viento -en cola en este caso- disminuye 20 Km/h) pero el niño sigue manteniendo su velocidad inicial de 60 Km/h respecto a la estación y eso significa que modificará su velocidad respecto al vagón. Durante un periodo de tiempo finito el niño, sin que sea decisión propia y sin hacer ningún esfuerzo físico extra se moverá más rápido respecto al vagón, acabará moviéndose a 30 Km/h ya que la velocidad original respecto a la estación es de 60 Km/h y la velocidad del tren ha pasado a ser de 30 Km/h. Esta será una situación transitoria hasta que el rozamiento de los pies sobre el suelo del vagón permita que el niño pueda contrarrestar la inercia y vuelva a moverse a 10 Km/h respecto al vagón y ahora a 40 Km/h respecto a la estación. A medida que el niño pasa de 30 a 10 Km/h respecto al vagón la velocidad respecto a la estación pasa de 60 a 40. Lo importante aquí es que el niño ha pasado de 10 a 30 Km/h respecto al vagón sin pretenderlo y sin ningún esfuerzo. El paso contrario, es decir pasar de 30 a 10 Km/h si que exige esfuerzo y control por parte del niño para volver a una situación de equilibrio. Cuanto más rápida sea la frenada del tren más dificultad tendrá el niño para no caer rodando ya que el cambio de su velocidad respecto al vagón será también mayor y más rápido. Podemos decir que el efecto de la cizalladura sobre el avión es equivalente a la pérdida de equilibrio y aceleración involuntaria del niño respecto al vagón cuando este cambia su velocidad rápidamente.

Pero continuemos imaginando. Una vez el niño ha vuelto al equilibrio moviéndose a 10 Km/h respecto al vagón y a 40 Km/h respecto a la estación el maquinista ve que el coche sale de las vías así que acelera el tren pero como es un poco novato lo hace demasiado rápido. Esta situación es exactamente contraria a la anterior, el tren pasa rápidamente de 30 a 50 Km/h y la abuela lo verá acelerar bruscamente. La velocidad del niño respecto a la estación tenderá a seguir en 40 Km/h, la inercia hace que el niño salga despedido hacia atrás así que su velocidad respecto al vagón disminuirá sin que el niño haya hecho nada para que así sea y deberá esforzarse por volver a su velocidad inicial de 10 Km/h respecto al vagón.

Trasladando el ejemplo anterior a un avión en vuelo, hemos visto que cuando el viento en cola disminuye rápidamente (el tren frena bruscamente) se produce un aumento de la velocidad respecto al aire (el niño sale despedido hacia delante debido a la inercia). El aumento de la IAS/TAS (velocidad respecto al vagón) aumenta también la sustentación y la resistencia, la mayor sustentación modifica la trayectoria del avión haciendo que suba y el aumento de la resistencia tiende a disminuir la velocidad hasta volver a una nueva situación de equilibrio en las nuevas condiciones de viento. En cambio, cuando el viento en cola aumenta rápidamente (el tren acelera bruscamente) se produce un decremento de la velocidad respecto al aire (el niño sale despedido hacia atrás debido a la inercia). La disminución de la IAS/TAS disminuye la sustentación y la resistencia, esto modifica la trayectoria haciendo que el avión descienda y le permite acelerar para encontrar una nueva situación de equilibrio.

Dejo al lector el razonamiento de lo que pasa cuando el niño corre en sentido contrario al de avance del tren y este acelera (aumento del viento en cara) o decelera (disminución del viento en cara). La conclusión a la que se llegará analizando todas las situaciones posibles es que el efecto sobre el avión es el mismo cuando el viento en cola disminuye que cuando el viento en cara aumenta, y también es el mismo cuando el viento en cola aumenta que cuando el viento en cara disminuye.

A modo de resumen podemos decir que para variaciones muy rápidas del componente de viento frontal:

• Cuando el viento en cola disminuye o el viento en cara aumenta, la IAS/TAS aumenta, la sustentación y la resistencia aumentan, la trayectoria se modifica haciendo que el avión ascienda y la resistencia extra permite que el avión decelere hasta su IAS/TAS original.

• Cuando el viento en cola aumenta o el viento en cara disminuye, la IAS/TAS disminuye, la sustentación y la resistencia disminuyen, la trayectoria se modifica haciendo que el avión descienda y la bajada de la resistencia permite que el avión acelere hasta su IAS/TAS original. Esta situación es claramente más crítica ya que la velocidad disminuye muy rápidamente y el avión desciende, si estamos cerca del suelo la situación es más comprometida. 

Los cambios en la sustentación también producen variaciones en el factor de carga. Cuanto mayor sea la masa del avión mayor es su inercia, le cuesta más ganar y perder velocidad. En los aviones ligeros en que volamos, la inercia es pequeña y las aceleraciones y deceleraciones pueden ser muy rápidas.

Y ahora dejemos atrás los trenes, los niños y las abuelas y volvamos de nuevo a hablar de aviones. Imaginemos una inversión térmica a primera hora de la mañana a 2000 pies. Por encima de la inversión tenemos viento del Este a 20 Km/h y por debajo de la inversión el viento es del Oeste a 10 Km/h. Entre estas dos masas de aire existe una capa turbulenta debida al rozamiento entre ellas pero imaginemos que esta capa es suficientemente estrecha o incluso, en un caso extremo, inexistente. Si cruzamos la inversión, tanto en ascenso como en descenso, en el momento que  atravesemos los 2000 pies, en un instante, el viento cambiará tanto en magnitud como en dirección.

Supongamos que volamos en descenso por encima de la inversión con rumbo Este y nuestra TAS es de 150Km/h. Obviamente nuestra velocidad respecto al suelo GS es de 130 Km/h ya que tenemos viento en cara.

GS = TAS - WS (viento en cara) GS = 150 - 20 = 130

En el descenso justo cuando pasemos los 2000 pies el viento será del Oeste a 10 Km/h, habremos pasado de un viento en cara de 20 Km/h a un viento en cola de 10 Km/h. Por tanto la nueva velocidad respecto al suelo  tendrá que ser de 160 Km/h. Pero debido a la inercia ese cambio de la velocidad respecto al suelo no puede ser instantáneo, inicialmente la velocidad respecto al suelo continuará siendo de 130 Km/h y acelerará poco a poco. Pero ahora el viento no es de 20 Km/h en cara sino de 10 Km/h en cola, por tanto

GS = TAS + WS (viento en cola)    

Inicialmente GS = 130 =  120 (Nueva TAS transitoria) + 10 (Nuevo viento)

Y finalmente  GS = 160 = 150 (TAS original) + 10 (Nuevo viento)

La TAS varía transitoriamente mientras la velocidad respecto al suelo se ajusta a las nuevas condiciones de viento. La variación de la TAS inicialmente es de menos 30 Km/h, que equivale a la diferencia de vientos (20 en cara y 10 en cola dan una variación total de 30). Durante un cierto tiempo la TAS se reduce rápidamente desde los 150 a los 120 Km/h y la velocidad respecto al suelo continua siendo 130 Km/h. A medida que la TAS aumenta a consecuencia de la menor resistencia, también lo hace la GS hasta que al final volaremos con la TAS original de 150 Km/h con un viento en cola de 10 Km/h y una GS de 160 Km/h. Lógicamente una TAS más baja implica una sustentación menor lo que hace que el avión descienda.

Este es un caso extremo, lo normal es que entre las dos masas de aire haya una zona intermedia en que se entremezclan las dos capas produciendo rotores y turbulencias, no que se pase directamente de un viento a otro. Siempre que volamos en zonas con rotores y turbulencias estamos sometidos a pequeñas cizalladuras que normalmente no son suficientemente grandes como para comprometer el vuelo. Si nos fijamos en el anemómetro cuando volamos en turbulencias veremos como la aguja del instrumento  oscila arriba y abajo aunque no movamos la palanca o el gas. La mayoría de las veces estas oscilaciones de la aguja se deben al cambio en el ángulo en que el aire incide en el tubo pitot pero en ocasiones es el resultado de microcizalladuras.

Cizalladura en el componente vertical

Cuando la cizalladura afecta al componente vertical del viento se producen cambios en el ángulo de ataque del ala. Esto también produce cambios en la sustentación que harán cambiar los G y la trayectoria del avión haciendo que ascienda o descienda. En los gráficos adjuntos podemos ver como la componente vertical del viento se combina con el viento relativo debido al movimiento del avión modificando el ángulo de ataque. El encuentro con una corriente de aire ascendente hará que se incremente el ángulo de ataque lo que hace aumentar la sustentación y ascender al avión. 

En cambio, el encuentro con una corriente descendente disminuye el ángulo de ataque y la sustentación y hace que el avión descienda.

Los cambios repentinos en la sustentación provocan variaciones rápidas del factor de carga que pueden ser considerables y hay que tener en cuenta. Por lo general los factores de carga tanto positivos como negativos son mayores con la cizalladura en el componente vertical que en el componente frontal. Cuando se combina una  cizalladura en el componente vertical intensa con una alta velocidad, el factor de carga resultante puede causar daños estructurales muy serios. Si nos movemos en una atmósfera turbulenta volaremos dentro del arco verde para no dañar el avión. A baja velocidad, el problema es que un incremento excesivo del ángulo de ataque nos puede hacer entrar en pérdida. Y una disminución del mismo puede hacer perder sustentación de forma repentina haciendo que el avión descienda rápidamente.

La situación más comprometida es cuando encontramos una fuerte descendencia cerca del suelo. Hay situaciones meteorológicas en que la corriente de aire desciende tan rápido que supera la capacidad de ascenso del avión incluso a plena potencia. En estas circunstancias el avión descenderá irremediablemente y en una situación extrema puede impactar contra el suelo sin que el piloto pueda hacer nada para evitarlo.

Cizalladura en el componente lateral

El viento lateral produce una deriva a izquierda o derecha que debe ser corregida por el piloto, bien para volar del punto A al punto B, bien para mantener la trayectoria sobre el eje de la pista en el despegue o aterrizaje. Cualquier variación rápida del componente lateral modificará el ángulo de deriva y hará que el piloto deba ajustar su corrección a las nuevas condiciones. Si el viento viene de la derecha la deriva será a la izquierda y el piloto deberá corregirla desviando el morro a la derecha una cierta cantidad que depende de la velocidad y dirección del viento y de la velocidad del avión, al revés si el viento viene de la izquierda.

Imaginemos una aproximación final con viento de la derecha, el piloto corrige la deriva para poder volar sobre la prolongación del eje de la pista, si el viento aumenta bruscamente la corrección que hasta entonces mantenía el piloto no es suficiente y la trayectoria se desvía hacia la izquierda. Si el componente lateral disminuye bruscamente la corrección es excesiva y eso desvía la trayectoria hacia la derecha. 

En ambos escenarios el piloto debe actuar para seguir sobre el eje de la pista. Es posible que esto produzca una sobrecarga de trabajo al piloto en cuyo caso es mejor hacer motor y al aire e intentarlo de nuevo. Además puede que el incremento del componente lateral supere el límite de operación de viento cruzado del avión o del piloto, que el avión pueda operar bajo determinadas condiciones no significa que el piloto también esté preparado para hacerlo. Nunca debemos dudar lo más mínimo, si no lo tenemos absolutamente claro lo mejor es hacer motor y al aire, esto es una buena señal de nuestra capacidad y competencia en la toma de decisiones.

Además una cizalladura en el componente lateral puede provocar movimientos inesperados en guiñada haciendo que el morro tienda a alinearse con el viento y/o en alabeo. 

Una situación que debe ponernos en alerta es cuando nos informan de viento calma sobre el aeropuerto pero en la aproximación inicial nuestro ángulo de deriva es grande, eso significa que durante la aproximación el viento cruzado en algún momento disminuirá rápidamente. Asimismo si nos informan de fuerte viento cruzado sobre la pista pero nuestro ángulo de deriva es pequeño o nulo debemos esperar un incremento del viento antes de aterrizar. Si estamos prevenidos será más fácil reaccionar pero repito, ante la más mínima duda, motor y al aire.

Es posible que la cizalladura produzca cambios en los tres componentes del viento y eso significa que nos podemos encontrar con cambios en la velocidad, el ángulo de ataque y la corrección de deriva simultáneamente.

Para finalizar esta primera parte os dejo un pequeño test que os permitirá comprobar los conocimientos sobre la cizalladura. Podéis rellenarlo y pulsar el botón enviar al final del test. A continuación os aparecerá un nuevo botón que habéis de pulsar para ver las respuestas correctas, es posible que para ver este nuevo botón sea preciso desplazar la página hacia arriba. Tenéis también un formulario de contacto en la columna de la derecha con el que me podréis hacer llegar vuestras dudas y comentarios.