Variómetro

En aviación , un variómetro , también conocido como indicador de velocidad de ascenso y descenso ( RCDI ), indicador de velocidad de ascenso , indicador de velocidad vertical ( VSI ) o indicador de velocidad vertical ( VVI ), es uno de los instrumentos de vuelo de una aeronave que se utiliza para informar al piloto de la velocidad de descenso o ascenso . ^[1] Se puede calibrar en metros por segundo , pies por minuto (1 ft/min = 0,00508 m/s) o nudos (1 kn ≈ 0,514 m/s), según el país y el tipo de aeronave. Normalmente está conectado a la fuente de presión estática externa de la aeronave .

En vuelo motorizado , el piloto hace un uso frecuente del VSI para asegurarse de que se mantiene el vuelo nivelado, especialmente durante las maniobras de giro. En vuelo sin motor , el instrumento se utiliza casi continuamente durante el vuelo normal, a menudo con una salida audible, para informar al piloto del aire ascendente o descendente . Es habitual que los planeadores estén equipados con más de un tipo de variómetro. El tipo más simple no necesita una fuente de energía externa y, por lo tanto, se puede confiar en que funcionará independientemente de si se ha instalado una batería o una fuente de energía. El tipo electrónico con audio necesita una fuente de energía para estar operativo durante el vuelo. El instrumento es de poco interés durante el despegue y el aterrizaje, con la excepción del remolque aéreo , donde el piloto generalmente querrá evitar soltarlo en descenso.

En 1930, según Ann Welch , " Kronfeld ... fue uno de los primeros en utilizar un variómetro, un dispositivo sugerido por Alexander Lippisch ". Welch continúa afirmando que el "primer vuelo térmico real" ocurrió en 1930 por A. Haller y Wolf Hirth , y que Hirth utilizó un variómetro en su Musterle . Frank Irving afirma que Arthur Kantrowitz mencionó por primera vez la energía total en 1940. Sin embargo, ya en 1901, Wilbur Wright escribió sobre las térmicas: "cuando los operadores de planeadores han alcanzado una mayor habilidad, pueden, con relativa seguridad, mantenerse en el aire durante horas de esta manera y, por lo tanto, mediante la práctica constante, aumentar tanto su conocimiento y habilidad que pueden elevarse en el aire superior y buscar las corrientes que permiten a las aves planeadoras transportarse a cualquier punto deseado, primero elevándose en un círculo y luego navegando en un ángulo descendente". ^{[2] [3]}

Según Paul MacCready , "un variómetro es esencialmente un altímetro de presión con una fuga que tiende a hacer que lea la altitud un momento antes. Consiste en un recipiente ventilado al aire exterior de tal manera que la presión dentro del recipiente se retrasa ligeramente con respecto a la presión estática exterior. La medición de la velocidad de ascenso proviene de la velocidad de entrada o salida de aire del recipiente". ^[4]

Los variómetros miden la tasa de cambio de altitud detectando el cambio en la presión del aire (presión estática) a medida que cambia la altitud. Los tipos más comunes de variómetros incluyen los que se basan en un diafragma, una paleta (bocina), una banda tensa o son eléctricos. El variómetro de paletas consiste en una paleta giratoria, centrada por un resorte helicoidal, que divide una cámara en dos partes, una conectada a un puerto estático y la otra a una cámara de expansión. Los variómetros eléctricos utilizan termistores sensibles al flujo de aire o placas de circuito que consisten en resistencias variables conectadas a la membrana de una pequeña cavidad de vacío. ^{[5] [6] [7] [8]}

Se puede construir un variómetro simple agregando un depósito grande (un matraz de vacío ) para aumentar la capacidad de almacenamiento de un instrumento común de velocidad de ascenso de aeronaves. En su forma electrónica más simple, el instrumento consiste en una botella de aire conectada a la atmósfera externa a través de un medidor de flujo de aire sensible. A medida que la aeronave cambia de altitud, la presión atmosférica fuera de la aeronave cambia y el aire fluye dentro o fuera de la botella de aire para igualar la presión dentro de la botella y fuera de la aeronave. La velocidad y la dirección del aire que fluye se miden mediante el enfriamiento de uno de los dos termistores autocalentables y la diferencia entre las resistencias del termistor causará una diferencia de voltaje; esto se amplifica y se muestra al piloto. Cuanto más rápido asciende (o desciende) la aeronave, más rápido fluye el aire. El aire que sale de la botella indica que la altitud de la aeronave está aumentando. El aire que fluye hacia la botella indica que la aeronave está descendiendo.

Los diseños más nuevos de variómetros miden directamente la presión estática de la atmósfera mediante un sensor de presión y detectan cambios de altitud directamente a partir del cambio en la presión del aire en lugar de medir el flujo de aire. Estos diseños tienden a ser más pequeños, ya que no necesitan la botella de aire. Son más confiables, ya que no hay botella que se vea afectada por los cambios de temperatura y hay menos posibilidades de que se produzcan fugas en los tubos de conexión.

Los diseños descritos anteriormente, que miden la tasa de cambio de altitud detectando automáticamente el cambio en la presión estática a medida que la aeronave cambia de altitud, se denominan variómetros "no compensados". El término "indicador de velocidad vertical" o "VSI" se utiliza con mayor frecuencia para el instrumento cuando está instalado en una aeronave a motor. El término "variómetro" se utiliza con mayor frecuencia cuando el instrumento está instalado en un planeador o planeador.

Un VSI "inercialmente adelantado" o "instantáneo" (IVSI) utiliza acelerómetros para proporcionar una respuesta más rápida a los cambios en la velocidad vertical. ^[9]

Los seres humanos, a diferencia de las aves y otros animales voladores, no son capaces de percibir directamente las velocidades de ascenso y descenso. ^{[ cita requerida ]} Antes de la invención del variómetro, a los pilotos de planeadores les resultaba muy difícil planear . Aunque podían detectar fácilmente los cambios abruptos de velocidad vertical ("con la cabeza"), sus sentidos no les permitían distinguir la sustentación de la caída, o la sustentación fuerte de la débil. La velocidad real de ascenso/descenso ni siquiera podía adivinarse, a menos que hubiera alguna referencia visual clara y fija cerca. Estar cerca de una referencia fija significa estar cerca de una ladera o del suelo. Excepto cuando se planea en una colina (aprovechando la sustentación cerca del lado de barlovento de una colina), estas son generalmente posiciones muy poco rentables para los pilotos de planeadores. Las formas más útiles de sustentación ( sustentación térmica y ondulatoria ) se encuentran a mayores altitudes y es muy difícil para un piloto detectarlas o explotarlas sin el uso de un variómetro. Después de que Alexander Lippisch y Robert Kronfeld inventaran el variómetro en 1929 , ^[10] el deporte del vuelo sin motor pasó a un nuevo ámbito.

Los variómetros también se volvieron importantes en el ala delta con despegue a pie, donde el piloto en el aire escucha el viento pero necesita el variómetro para ayudarlo a detectar regiones de aire ascendente o descendente. En los primeros vuelos de ala delta, los variómetros no eran necesarios para los vuelos cortos o los vuelos cerca de las crestas de las montañas. Pero el variómetro se volvió clave cuando los pilotos comenzaron a hacer vuelos más largos. El primer variómetro portátil para usar en ala delta fue el variómetro Colver, presentado en la década de 1970 por Colver Soaring Instruments, ^[11] que sirvió para extender el deporte al vuelo térmico de cross country. ^{[12] [13]} En la década de 1980, Ball Variometers Inc., fundada en 1971 por Richard Harding Ball (1921-2011), produjo un variómetro de muñeca alimentado por una batería de 9 voltios. ^{[14] [15]}

Sin embargo, a medida que se desarrolló el deporte del vuelo a vela, se descubrió que estos instrumentos muy simples "no compensados" tenían sus limitaciones. La información que los pilotos de planeadores realmente necesitan para planear es el cambio total de energía experimentado por el planeador, incluyendo tanto la altitud como la velocidad. Un variómetro no compensado simplemente indicará la velocidad vertical del planeador, dando lugar a la posibilidad de una " térmica de la palanca ", es decir, un cambio de altitud causado únicamente por la acción de la palanca. Si un piloto tira hacia atrás de la palanca, el planeador se elevará, pero también se ralentizará. Pero si un planeador se eleva sin que cambie la velocidad, esto es una indicación de sustentación real, no de "sustentación de la palanca".

Los variómetros compensados ​​también incluyen información sobre la velocidad de la aeronave, por lo que se utiliza la energía total ( potencial y cinética ), no solo el cambio de altitud. Por ejemplo, si un piloto empuja la palanca hacia adelante, acelerando a medida que el avión desciende, un variómetro no compensado solo indica que se está perdiendo altitud. Pero el piloto podría tirar de la palanca hacia atrás, intercambiando la velocidad adicional por altitud nuevamente. Un variómetro compensado usa tanto la velocidad como la altitud para indicar el cambio en la energía total. Por lo tanto, el piloto que empuja la palanca hacia adelante, descendiendo para ganar velocidad, y luego tira hacia atrás nuevamente para recuperar altitud no notará ningún cambio en la energía total en un variómetro compensado (ignorando la pérdida de energía debido a la resistencia).

Según Helmut Reichmann , "la palabra 'variómetro' significa literalmente 'medidor de cambios', y así es como debe entenderse. Sin más información, no queda claro qué cambios se están midiendo. Los variómetros simples... son indicadores de velocidad de ascenso. Dado que el ascenso y descenso real del planeador que se muestra en estos instrumentos depende no solo del movimiento de la masa de aire y el rendimiento del planeador, sino también en gran parte de los cambios en el ángulo de ataque ( movimientos del elevador )... Esto hace que sea virtualmente imposible extraer información útil, como, por ejemplo, la ubicación de las corrientes térmicas . Mientras que los indicadores de velocidad de ascenso muestran cambios de altitud y, por lo tanto, cambios en la energía potencial del planeador, los variómetros de energía total indican cambios en la energía total del planeador, es decir, tanto su energía potencial (debida a la altitud) como su energía cinética (debida a la velocidad aerodinámica)". ^[5]

La mayoría de los planeadores modernos están equipados con variómetros con compensación de energía total .

La energía total de la aeronave es:

1. ${\displaystyle E_{\text{tot}}=E_{\text{pot}}+E_{\text{kin}}}$

donde es la energía potencial y es la energía cinética. Por lo tanto, el cambio en la energía total es:${\displaystyle E_{\text{olla}}}$${\displaystyle E_{\text{kin}}}$

2. ${\displaystyle \Delta E_{\text{tot}}=\Delta E_{\text{pot}}+\Delta E_{\text{kin}}}$

Desde

3. La energía potencial es proporcional a la altura.

${\displaystyle E_{\text{olla}}=mgh}$

¿Dónde está la masa del planeador y la aceleración de la gravedad?${\estilo de visualización m}$${\estilo de visualización g}$

y

4. La energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado,

${\displaystyle E_{\text{kin}}={1 \sobre 2}mV^{2}}$

luego de 2:

5. ${\displaystyle \Delta E_{\text{tot}}=mg\Delta h+{1 \over 2}m{\Delta V}^{2}}$

6. Normalmente, esto se convierte en un cambio de altitud efectivo al dividirlo por la aceleración de la gravedad y la masa de la aeronave, por lo que:

${\displaystyle {\Delta E_{\text{tot}} \sobre mg}=\Delta h+{{\Delta V}^{2} \sobre 2g}}$

Los variómetros de energía total utilizan un compensador de membrana, compensación por venturi o compensación electrónica. El compensador de membrana es una membrana elástica, que se flexiona de acuerdo con la presión total (pitot más estática) de la velocidad aerodinámica. Por lo tanto, los efectos de la velocidad aerodinámica cancelan un aumento en la caída, debido a la aceleración, o una disminución en la caída, debido a la desaceleración. El compensador venturi proporciona una presión negativa dependiente de la velocidad, de modo que la presión se reduce a medida que aumenta la velocidad, compensando el aumento de la presión estática debido a la caída. Según Helmut Reichmann , "... el punto de montaje del venturi menos sensible parecería estar en el cuarto superior de la aleta vertical, unos 60 cm (2 pies) por delante del borde de ataque". Los tipos de compensadores Venturi incluyen el Irving Venturi (1948), el Althaus Venturi, el Hüttner Venturi, el Brunswick Tube, el Nicks Venturi y el Double-Slotted Tube, desarrollado por Bardowicks de Akaflieg Hannover, también conocido como el Braunschweig Tube. ^{[5] [8] [16] [17]}

Muy pocos aviones a motor tienen variómetros de energía total. Los pilotos de aviones a motor están más interesados ​​en la tasa real de cambio de altitud, ya que a menudo quieren mantener una altitud constante o mantener un ascenso o descenso constante.

Un segundo tipo de variómetro compensado es el Netto o variómetro de masa de aire . Además de la compensación de la TE, el variómetro Netto se ajusta a la tasa de caída intrínseca del parapente a una velocidad determinada (la curva polar ) ajustada a la carga alar debida al lastre de agua. El variómetro Netto siempre indicará cero en aire en calma. Esto proporciona al piloto la medición precisa del movimiento vertical de la masa de aire, que es fundamental para los planeos finales (el último planeo hasta la ubicación de destino final).

En 1954, Paul MacCready escribió sobre una corrección de la velocidad de caída para un venturi de energía total. MacCready afirmó: "En aire en calma... un planeador tiene una velocidad de caída diferente para cada velocidad aerodinámica... sería mejor si el variómetro agregara automáticamente la velocidad de caída y, por lo tanto, mostrara el movimiento vertical del aire en lugar del movimiento vertical del planeador. La corrección se puede realizar mediante una variedad de métodos. Probablemente, el mejor sea utilizar el venturi de energía total y la presión dinámica del tubo de Pitot". ^[4] Como explicó Reichmann, un "variómetro Netto muestra el ascenso y descenso de la masa de aire (¡no del planeador!)... Para lograr una indicación 'neta', el descenso polar siempre presente del planeador debe ser 'compensado' en la indicación. Para hacer esto, se hace uso del hecho de que por encima de la velocidad para un mejor planeo, la velocidad de descenso polar del planeador aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad aerodinámica. Dado que la presión de Pitot también aumenta con el cuadrado de la velocidad, se puede usar para 'compensar' el efecto del descenso polar del planeador en prácticamente todo el rango de velocidad". ^[5] Tom Brandes afirma: "Netto es simplemente la forma alemana de decir 'neto', y un sistema de variómetro Netto (o compensador polar) es simplemente uno que te dice el movimiento vertical neto del aire con el movimiento o descenso del planeador eliminado de la lectura habitual del variómetro". ^[18]

El variómetro Netto Relativo indica la velocidad vertical que alcanzaría el parapente SI volara a velocidad de térmica, independientemente de la velocidad actual del aire y la actitud. Esta lectura se calcula como la lectura Netto menos la caída mínima del parapente. Cuando el parapente gira en una térmica, el piloto necesita saber la velocidad vertical del parapente en lugar de la de la masa de aire. El variómetro Netto Relativo (o a veces el super Netto ) incluye un sensor g para detectar la térmica. Al volar en térmica, el sensor detectará la aceleración (gravedad más centrífuga) por encima de 1 g y le indicará al variómetro Netto Relativo que deje de restar la tasa de caída polar ajustada a la carga del ala del planeador durante la duración. Algunos nettos anteriores usaban un interruptor manual en lugar del sensor g.

En 1954, MacCready señaló las ventajas de un variómetro de audio: "Hay mucho que ganar si la indicación del variómetro se presenta al piloto mediante sonido. Más que cualquier otro instrumento, excepto durante el vuelo a ciegas, el variómetro debe ser vigilado continuamente. Si el piloto puede obtener la lectura de oído, puede mejorar su vuelo térmico observando los planeadores cercanos y puede mejorar materialmente el vuelo en general estudiando las formaciones de nubes que se utilizarán a continuación". ^[4]

En los planeadores modernos, la mayoría de los variómetros electrónicos generan un sonido cuyo tono y ritmo dependen de la lectura del instrumento. Normalmente, el tono de audio aumenta en frecuencia a medida que el variómetro muestra una mayor tasa de ascenso y disminuye en frecuencia hacia un gemido profundo a medida que el variómetro muestra una tasa de descenso más rápida. Cuando el variómetro muestra un ascenso, el tono a menudo se corta y la tasa de corte puede aumentar a medida que aumenta la tasa de ascenso, mientras que durante un descenso, el tono no se corta. El vario generalmente es silencioso en aire quieto o en sustentación que es más débil que la tasa de caída típica del planeador en caída mínima . Esta señal de audio permite al piloto concentrarse en la vista externa en lugar de tener que mirar los instrumentos, lo que mejora la seguridad y también le da al piloto más oportunidad de buscar nubes de aspecto prometedor y otras señales de sustentación. Un variómetro que produce este tipo de tono audible se conoce como "variómetro de audio".

Los variómetros electrónicos avanzados de los planeadores pueden presentar al piloto otra información procedente de los receptores GPS . De este modo, la pantalla puede mostrar el rumbo, la distancia y la altura necesarios para alcanzar un objetivo. En el modo de crucero (utilizado en vuelo recto), el vario también puede dar una indicación audible de la velocidad correcta para volar dependiendo de si el aire está subiendo o bajando. El piloto solo tiene que introducir el ajuste MacCready estimado , que es la velocidad de ascenso esperada en la siguiente térmica aceptable.

Existe una tendencia creciente en el uso de variómetros avanzados en planeadores hacia ordenadores de vuelo (con indicaciones de variómetro) que también puedan presentar información como el espacio aéreo controlado, listas de puntos de viraje e incluso avisos de colisión. Algunos también almacenarán datos de posición GPS durante el vuelo para su posterior análisis.

Los variómetros también se utilizan en planeadores controlados por radio . Cada sistema de variómetro consta de un transmisor de radio en el planeador y un receptor en tierra para uso del piloto. Dependiendo del diseño, el receptor puede proporcionar al piloto la altitud actual del planeador y una pantalla que indica si el planeador está ganando o perdiendo altitud, a menudo mediante un tono de audio. El sistema también puede proporcionar otras formas de telemetría , mostrando parámetros como la velocidad aerodinámica y el voltaje de la batería. Los variómetros utilizados en planeadores controlados por radio pueden o no tener compensación total de energía.

Los variómetros no son esenciales en los planeadores controlados por radio; un piloto experto puede determinar si el planeador está subiendo o bajando únicamente mediante señales visuales. El uso de variómetros está prohibido en algunas competiciones de vuelo a vela para planeadores controlados por radio.

• Pantalla de vuelo principal
• Recomendaciones de la OACI sobre el uso del Sistema Internacional de Unidades
• Ala delta
• Parapente
• Velocidad para volar

• Un sensor de energía total simple, NASA TM X-73928, marzo de 1976 ^{[ enlace roto ]}

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