¿Por qué la velocidad real y la indicada son diferentes?

La presión del aire se reduce con la altitud, por lo que mientras una molécula individual golpea el avión a 100 nudos, hay menos de ellas. Esto significa que se ejerce menos presión sobre cualquier superficie que se golpee.

La diferencia en la velocidad indicada es simplemente una limitación física con el indicador de velocidad del aire: los indicadores de velocidad del aire dependen de la presión dinámica/aire ram para dar una lectura. Debido a esa reducción en la presión, la lectura comienza a desviarse de la verdadera velocidad física a medida que la presión del aire difiere de la presión de referencia del manómetro.

Sería posible crear un indicador de velocidad aerodinámica que se ajuste a esto, de la misma manera que lo hace el indicador de altitud. Sin embargo, da la casualidad de que las características de vuelo de los aviones también cambian a medida que la presión se reduce de la misma manera que lo hace el indicador de velocidad del aire. Debido a esto, para los pilotos, la IAS es la velocidad importante fuera de los propósitos de navegación.

Por lo tanto, todas las velocidades de diseño están escritas en Velocidad de aire indicada y pueden referirse a cualquier altitud.

Piénsalo de esta manera. Su indicador de velocidad aerodinámica no mide directamente la distancia recorrida por ningún objeto, avión ni moléculas de aire, a lo largo del tiempo. Su indicador de velocidad aerodinámica es un dispositivo sensible a la presión que mide la presión del aire ram (presión dinámica) frente a la presión estática. Convierte esa medida en un valor significativo de la velocidad aerodinámica.

Ese dispositivo de presión de aire ram depende de la densidad, o más precisamente, de la masa del fluido que mide. Cuanta menos masa hay que medir, menos presión de aire ram se mide. La presión atmosférica de la Tierra disminuye logarítmicamente con la altitud debido al peso y la densidad del aire como fluido. La mitad de la masa atmosférica de la Tierra está por debajo de los 18000 pies MSL. Su densidad disminuye rápidamente a partir de ahí. Si el mismo tubo de Pitot a la misma velocidad se colocara en agua, mediría un IAS drásticamente mayor debido a una mayor masa de agua en el mismo volumen de espacio. Incluso si la aeronave permanece a la misma velocidad real, el IAS cambiaría con la masa (por lo tanto, la densidad) del aire que ingresa al tubo Pitot. Esto se debe a que hay menos moléculas de aire en un volumen dado de aire para crear la masa.

Una analogía del mundo real es la diferencia entre estar de pie en un viento fuerte y estar de pie en una corriente de agua en movimiento. El viento en movimiento tendría que estar moviéndose a una velocidad muy rápida para ejercer suficiente presión o fuerza para vencer tu inercia. El agua en movimiento de la corriente no tiene que moverse tan rápido para hacer lo mismo.

La presión dinámica es

dónde$q$es la presión dinámica,$\varrho$es densidad y$v$es la velocidad (también conocida como velocidad aerodinámica verdadera). Lo importante aquí es que es proporcional a la densidad y dado que la densidad y la presión están estrechamente relacionadas y la presión disminuye con la altitud, también lo hace la densidad.

Para la intuición de las partículas que golpean la superficie, tenga en cuenta que la presión es fuerza por área y la fuerza es masa por aceleración. Entonces, una densidad más baja (la densidad es masa por volumen) significa menos fuerza y ​​menos presión para la misma velocidad.

TL-DR : IAS no se trata de velocidad sino de presión dinámica. Puede leerlo como "Así de rápido necesitaría volar en condiciones estándar a nivel del mar para obtener la misma presión dinámica"

Como ya señaló Jan Hudec, la velocidad aerodinámica indicada se calcula a partir de la presión dinámica. Eso mismo se calcula a partir de la presión total (es decir, estancamiento) y estática, y la diferencia entre ambas.

Para flujo incompresible (sin pérdidas) (es decir, cualquier cosa más lenta que la mitad de la velocidad del sonido), puede recordar la ecuación de Bernoulli:

$\frac{1}{2} \rho_\infty v_\infty^2 + P_\infty = P_T$

Lo que se mide en vuelo es$P_T$(presión total, en el punto de estancamiento) y$P_\infty$(presión estática de flujo no perturbado, medida en los lados de un tubo pitot-estático). La diferencia entre ambas se denomina presión dinámica ($q_\infty$), y le permite calcular la velocidad:

$v_\infty = \sqrt{ \frac{2q}{\rho_\infty}}$

... excepto que necesita saber la densidad. La densidad sigue principalmente la ley de los gases ideales, lo que significa que varía con la presión y la temperatura, pero también cambia con la humedad.

En la aviación real, estos efectos pueden tenerse en cuenta a efectos de la navegación. Puede calcular bastante bien la velocidad aerodinámica real más la velocidad del viento, pero para el propósito de diseñar una aeronave, la presión dinámica es en realidad más importante que la velocidad aerodinámica real, y también es más fácil de calcular. Entonces, cuando se diseña una aeronave y se calculan las cargas, así como la velocidad mínima y máxima, la velocidad aerodinámica indicada es en realidad más útil que la velocidad aerodinámica real, ya que se escala directamente con la presión dinámica, y todas las cargas aerodinámicas en una aeronave se escalan directamente con eso. Es por eso que, por ejemplo, la velocidad de despegue, aterrizaje y pérdida se citan como IAS. Lo importante no es qué tan rápido te estás moviendo, sino si estás generando suficiente presión dinámica para permanecer en el aire (o despegar, etc.). Cuando estás despegando en Lhasanecesita el mismo IAS que en Nueva York, pero necesita un TAS más alto en Lhasa para compensar el aire más delgado.

Ahora, para el flujo comprimible (más o menos: yendo más rápido que la mitad de la velocidad del sonido), la ecuación de Bernoulli incompresible ya no es tan precisa. La transformación de Prandtl-Glauert puede hacer que funcione un poco más, pero realmente tiene mucho más sentido dejar de pensar en la velocidad y usar el número de Mach en su lugar, y las ecuaciones de cambio de estado isoentrópico . Resultan en esta práctica ecuación para calcular la velocidad:

$v_\infty = M * a = \sqrt{\frac{\gamma-1}{2} \left(\left(\frac{P_T}{P_\infty}\right)^{\frac{\gamma-1}{\gamma}} -1\right)} \sqrt{\gamma R_s T_\infty}$

($\gamma \approx 1.4$para aire,$R_s$es la constante específica de los gases, y$T_\infty$es la temperatura estática)

Es perfectamente factible usar esto para calcular la verdadera velocidad del aire (dada cierta información sobre la temperatura y la humedad, y la calibración de la sonda dado que no ve un flujo no perturbado), pero a excepción de la navegación, IAS todavía se usa al diseñar y volar un avión.

Razón: Se trata de presión dinámica . Alguien que usa IAS generalmente está interesado en la presión dinámica, no en la velocidad a la que se mueve el avión. El uso de una velocidad en lugar de una presión se hace por costumbre (porque durante muchas décadas, IAS fue el único número disponible para los pilotos) y porque en realidad se acerca a la velocidad real en números de Mach y altitudes más bajas (es decir, para despegue y aterrizaje) , por lo que la mayoría de los pilotos ya tienen una "sensación" de esos números. Eso significa que tiene sentido seguir usando IAS en lugar de presión directa.

Esta es la razón por la cual incluso los aviones transónicos no solo tienen velocidades de despegue, aterrizaje y pérdida citadas en IAS, sino que incluso la velocidad máxima está limitada no solo en términos de número de Mach sino también de IAS. Esto significa: está bien para volar a Mach 0,85 a 11 km de altitud, pero si necesita realizar un descenso de emergencia, no puede permanecer en M = 0,85 hasta los 2 km porque el avión no fue construido para lidiar con la dinámica. presión que obtendría en el aire mucho más denso a altitudes más bajas si no redujera la velocidad.