Altitud de densidad: por qué el calor y la altitud reducen las prestaciones del avión
Un mismo avión, con el mismo peso y utilizando la misma pista, puede comportarse de forma muy diferente dependiendo de las condiciones atmosféricas.
En una mañana fresca puede despegar con facilidad y conseguir una buena razón de ascenso. Sin embargo, unas horas más tarde, con temperaturas elevadas, puede necesitar bastante más pista y ascender con mucha más dificultad.
La explicación está en la densidad del aire y, más concretamente, en un concepto fundamental para cualquier piloto: la altitud de densidad.
¿Qué es la altitud de densidad?
La altitud de densidad no indica la altura real a la que se encuentra el avión. Es una forma de expresar qué densidad tiene el aire comparándola con la atmósfera estándar.
Dicho de una forma sencilla:
La altitud de densidad es la altitud de la atmósfera estándar en la que encontraríamos una densidad de aire equivalente a la existente en ese momento.
Por ejemplo, podemos encontrarnos en un aeródromo situado a solamente 2.000 ft sobre el nivel del mar pero, debido a una combinación de baja presión y temperatura elevada, el avión puede comportarse aerodinámicamente como si estuviera operando a 5.000 ft.
En ese caso decimos que la altitud de densidad es aproximadamente 5.000 ft.
Por eso resulta útil pensar en ella como una “altitud de prestaciones”.
Cuanto mayor sea la altitud de densidad, peores serán generalmente las prestaciones del avión.
¿Por qué es tan importante la densidad del aire?
El aire tiene masa. Cuando hablamos de densidad nos referimos precisamente a la cantidad de masa de aire contenida en un determinado volumen.
Si el aire es muy denso, dentro de ese volumen existen más moléculas. Si es poco denso, existen menos.
Esta diferencia afecta directamente a tres elementos esenciales del avión:
El ala, porque necesita interactuar con el aire para producir sustentación.
La hélice, porque genera empuje acelerando una determinada masa de aire.
El motor, especialmente si es atmosférico, porque necesita oxígeno para realizar la combustión.
Cuando disminuye la densidad del aire, las prestaciones de estos tres elementos se deterioran.
El avión necesitará normalmente una carrera de despegue mayor y tendrá una menor capacidad de ascenso.
Los tres factores que modifican la densidad del aire
Los principales factores atmosféricos que debemos considerar son:
presión, temperatura y humedad.
Aunque los tres influyen, no lo hacen con la misma intensidad.
1. Presión atmosférica
Podemos imaginar la presión atmosférica como el peso que ejerce sobre nosotros toda la columna de aire situada encima.
Cuando aumenta la presión, existe una mayor cantidad de masa de aire dentro de un determinado volumen. El aire es, por tanto, más denso.
Cuando disminuye la presión ocurre lo contrario: el aire se expande y su densidad disminuye.
Podemos resumirlo así:
Mayor presión → mayor densidad → mejores prestaciones.
Menor presión → menor densidad → peores prestaciones.
Para estudiar sus efectos sobre el avión utilizamos otro concepto importante: la altitud de presión.
Altitud de presión
La altitud de presión es la altitud correspondiente a una determinada presión dentro de la atmósfera estándar.
Una forma práctica de obtenerla consiste en ajustar el altímetro a la presión estándar:
1013,25 hPa (29,92 inHg).
La indicación obtenida será aproximadamente nuestra altitud de presión.
Esta altitud constituye el punto de partida para determinar posteriormente la altitud de densidad.
2. Temperatura
La temperatura puede modificar considerablemente la densidad del aire.
Cuando el aire se calienta, sus moléculas adquieren mayor energía y tienden a separarse. Como consecuencia, una determinada masa de aire ocupa un volumen mayor.
Por tanto:
A igual presión, cuanto mayor sea la temperatura, menor será la densidad del aire.
Y al contrario:
Cuanto menor sea la temperatura, mayor será su densidad.
Este fenómeno tiene una enorme importancia en aviación.
La referencia ISA
Para poder comparar las condiciones atmosféricas utilizamos la Atmósfera Estándar Internacional (ISA).
A nivel del mar, la atmósfera estándar considera aproximadamente:
Temperatura: 15 °C
Presión: 1013,25 hPa
Densidad: 1,225 kg/m³
Durante los primeros kilómetros de la troposfera, la temperatura estándar disminuye aproximadamente:
2 °C por cada 1.000 ft de altitud.
Por tanto, la temperatura ISA aproximada sería:
Nivel del mar: 15 °C
1.000 ft: 13 °C
2.000 ft: 11 °C
5.000 ft: 5 °C
10.000 ft: −5 °C
Cuando la temperatura real se encuentra considerablemente por encima de la temperatura ISA correspondiente a nuestra altitud, la densidad del aire será menor de la esperada.
Y la altitud de densidad aumentará.
Un aeródromo puede comportarse como si estuviera mucho más alto
Supongamos un aeródromo situado a una altitud de presión de 5.000 ft.
Según ISA, la temperatura estándar a esa altitud sería aproximadamente:
15 − (2 × 5) = 5 °C
Pero imaginemos que estamos en verano y la temperatura exterior es de:
30 °C
Tenemos una desviación de:
30 − 5 = +25 °C sobre ISA
En esas condiciones la densidad del aire será considerablemente menor y el avión puede comportarse como si estuviera operando varios miles de pies por encima de esos 5.000 ft.
Es precisamente esta situación la que hace especialmente delicadas las operaciones en aeródromos elevados durante los meses de verano.
3. Humedad
La humedad también modifica la densidad del aire, aunque normalmente su influencia es menor que la producida por la presión y, sobre todo, por la temperatura.
Puede parecer contradictorio, pero:
El aire húmedo es menos denso que el aire seco.
La explicación se encuentra en la composición molecular del aire.
El aire seco está formado principalmente por:
aproximadamente un 78 % de nitrógeno;
aproximadamente un 21 % de oxígeno;
pequeñas cantidades de otros gases.
Las moléculas principales tienen aproximadamente las siguientes masas moleculares:
N₂: 28
O₂: 32
H₂O: 18
La molécula de agua es, por tanto, más ligera que las moléculas de nitrógeno y oxígeno que predominan en el aire.
Cuando aumenta la cantidad de vapor de agua, parte de esas moléculas más pesadas son sustituidas por moléculas de agua más ligeras.
El resultado es una ligera disminución de la densidad del aire.
Por eso:
Mayor humedad → ligeramente menor densidad → mayor altitud de densidad.
Su efecto suele ser bastante menor que el provocado por una temperatura elevada, pero puede contribuir a empeorar todavía más las prestaciones cuando se combina con calor y baja presión.
¿Qué le ocurre realmente al avión?
Una altitud de densidad elevada significa que el avión está operando en un aire menos denso.
Esto afecta simultáneamente a distintos aspectos de sus prestaciones.
Menor potencia del motor
En un motor atmosférico entra una menor masa de aire en los cilindros.
Menos aire significa también menos oxígeno disponible para la combustión y, como consecuencia, menor potencia máxima disponible.
Los motores turboalimentados pueden compensar parcialmente este efecto hasta determinada altitud, dependiendo del sistema instalado.
Menor eficiencia de la hélice
Una hélice produce empuje acelerando aire hacia atrás.
Si el aire es menos denso, existe menos masa de aire sobre la que puede actuar la hélice.
Su capacidad para producir empuje disminuye.
Menor capacidad de producir sustentación
La sustentación depende, entre otros factores, de la densidad del aire.
La ecuación básica de sustentación es:
L = ½ ρ V² S CL
donde:
L = sustentación
ρ = densidad del aire
V = velocidad verdadera
S = superficie alar
CL = coeficiente de sustentación
Si disminuye la densidad (ρ), el avión necesita una velocidad verdadera mayor para producir la misma sustentación.
Aquí aparece un detalle especialmente importante para el piloto.
La velocidad indicada de pérdida prácticamente no cambia
Aunque la densidad sea menor, para una determinada configuración y peso el avión seguirá entrando en pérdida aproximadamente a la misma velocidad indicada (IAS).
Sin embargo, esa misma IAS corresponderá a una velocidad verdadera (TAS) mayor cuando la densidad del aire sea menor.
Esto significa que durante un despegue con elevada altitud de densidad el avión deberá desplazarse físicamente más rápido respecto al aire —y normalmente respecto al suelo— antes de alcanzar la IAS necesaria para despegar.
De ahí que aumente la distancia de despegue.
Consecuencias prácticas de una elevada altitud de densidad
Cuando aumenta la altitud de densidad podemos esperar:
mayor distancia de carrera de despegue;
menor aceleración;
menor potencia disponible en motores atmosféricos;
menor empuje de la hélice;
menor razón de ascenso;
menor ángulo de ascenso;
mayor velocidad verdadera para una misma velocidad indicada;
mayor distancia necesaria para superar obstáculos.
En determinadas circunstancias, la combinación de aeródromo elevado + temperatura alta + avión pesado puede reducir las prestaciones hasta el punto de hacer desaconsejable o incluso imposible realizar el despegue dentro de unos márgenes seguros.
Una regla aproximada para calcular la altitud de densidad
Como estimación rápida puede utilizarse:
Altitud de densidad ≈ Altitud de presión + 120 × (OAT − ISA)
donde:
OAT es la temperatura exterior en °C.
ISA es la temperatura estándar correspondiente a esa altitud.
el resultado se obtiene aproximadamente en pies.
Veamos un ejemplo.
Tenemos:
Altitud de presión: 3.000 ft
Temperatura exterior: 30 °C
La temperatura ISA a 3.000 ft será aproximadamente:
15 − (2 × 3) = 9 °C
La desviación respecto a ISA es:
30 − 9 = 21 °C
Aplicamos la aproximación:
DA ≈ 3.000 + 120 × 21
DA ≈ 5.520 ft
Aunque el aeródromo pueda encontrarse aproximadamente a 3.000 ft de altitud de presión, el avión se comportará aproximadamente como lo haría a más de 5.500 ft en atmósfera estándar.
La fórmula es útil para comprender el fenómeno y realizar estimaciones, pero para determinar las prestaciones reales siempre deben utilizarse las tablas, gráficos y procedimientos establecidos por el fabricante de la aeronave.
¿Cuándo debemos prestar especial atención?
Una altitud de densidad elevada es especialmente importante cuando coinciden varios factores:
Aeródromo elevado + temperatura alta + presión baja + humedad elevada.
A esto pueden añadirse otros factores que empeoran todavía más la situación:
avión próximo a su masa máxima;
pista corta;
pista en pendiente ascendente;
superficie de hierba o terreno no preparado;
obstáculos después del despegue;
viento en calma o viento de cola;
motor o hélice que no desarrollen sus prestaciones nominales.
Por esta razón, un día despejado, caluroso y aparentemente perfecto para volar puede esconder unas condiciones de prestaciones bastante más exigentes de lo que parecen.
Una idea sencilla para recordarlo
La altitud de densidad puede resumirse con una regla mental muy sencilla:
Aire frío y denso = mejores prestaciones.
Aire caliente y poco denso = peores prestaciones.
Y cuanto más alto esté situado el aeródromo, mayor importancia tendrá esta diferencia.
La altitud de densidad no es simplemente un concepto meteorológico que haya que memorizar para un examen. Es una herramienta que permite anticipar cómo va a comportarse realmente el avión antes de iniciar el despegue.
Por eso, cuando las temperaturas son elevadas o se opera desde aeródromos situados a una cierta altitud, calcular las prestaciones antes de despegar deja de ser una cuestión teórica y se convierte en una parte esencial de la seguridad del vuelo.
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