b1) Física de la Atmósfera

MP11 Constitución y navegación de las MP11
Constitución y navegación de las
aeronaves.
b) Aerodinámica de las aeronaves de ala fija y de ala rotatoria.
b1) Física de la Atmósfera
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ESTA PRESENTACIÓN HA SIDO PREPARADA COMO APOYO AL ENTRENAMIENTO DE MANTENIMIENTO AERONÁUTICO. NO ENMIENDA NI SUSTITUYE A LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN LAS PUBLICACIONES OFICIALES DE LOS AVIONES (MANUAL DE
CONTENIDA EN LAS PUBLICACIONES OFICIALES DE LOS AVIONES (MANUAL DE VUELO, MANUAL DE MANTENIMIENTO, DIAGRAMAS DE CABLEADO, MANUALES DE MANTENIMIENTO DE COMPONENTES, BOLETINES DE SERVICIO, ETC).
PARA EL FUNCIONAMIENTO Y EL MANTENIMIENTO DE UN AVIÓN, SE UTILIZARÁ PARA
EL FUNCIONAMIENTO Y EL MANTENIMIENTO DE UN AVIÓN SE UTILIZARÁ
EXCLUSIVAMENTE LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN LAS PUBLICACIONES OFICIALES.
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Física de la atmósfera
Física de la atmósfera
LA ATMÓSFERA TERRESTRE
Es la parte gaseosa de la Tierra, siendo por esto la capa más externa y
menos densa del planeta.
planeta Está constituida por varios gases que varían en
cantidad según la presión a diversas alturas. Esta mezcla de gases que forma la
atmósfera recibe genéricamente el nombre de aire. El 75% de masa atmosférica
se encuentra en los primeros 11 km de altura,
altura desde la superficie del mar.
mar Los
principales elementos que la componen son el oxígeno (21%) y el nitrógeno
(78%).
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LO QUE NOS INTERESA SABER DE LA ATMÓSFERA
La presión
La temperatura
La densidad del aire
Q están
Que
tá ligadas
li d con
La altura y la humedad
Y veremos que nos interesa también
La velocidad del viento
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Física de la atmósfera
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DIVISIÓN DE LA ATMÓSFERA POR SU COMPOSICIÓN
EEn la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición, l t óf
t
t
d di ti
i d
i
di ti t
i ió
la homosfera y la heterosfera.
Homosfera
Ocupa los 100 km inferiores y tiene una composición prácticamente constante
y uniforme.
Heterosfera
H
t
f
se extiende desde los 80 km hasta el límite superior de la atmósfera (unos
10.000 km); está estratificada, es decir, formada por diversas capas con
composición diferente.
diferente
80‐400 km ‐ capa de nitrógeno molecular
400‐1.100 km ‐ capa
p de oxígeno
g
atómico
1.100‐3.500 km ‐ capa de helio
3.500‐10.000 km ‐ capa de hidrógeno
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COMPOSICIÓN DE LA HOMOSFERA
Ó
Composición de la atmósfera
terrestre (aire seco, porcentajes por
volumen).
)
RMB
ppmv: partes por millón por volumen
Gas
Volumen
nitrógeno
g
((N2)
780.840 ppmv
pp ((78,084%)
,
%)
oxígeno (O2)
209.460 ppmv (20,946%)
argón (Ar)
9.340 ppmv (0,9340%)
dióxido de carbono (CO2)
387 ppmv (0,0387%)
neón (Ne)
18,18 ppmv (0,001818%)
helio (He)
5,24 ppmv (0,000524%)
metano (CH4)
1,79 ppmv (0,000179%)
k i ó (Kr)
kriptón
(K )
1 14
1,14 ppmv
(0 000114%)
(0.000114%)
hidrógeno (H2)
0,55 ppmv (0,000055%)
óxido nitroso (N2O)
0,3 ppmv (0,00003%)
xenón (Xe)
0 09 ppmv (9x10−6%)
0,09 ppmv
ozono (O3)
0,0 ‐ 0,07 ppmv (0% to 7x10−6%)
dióxido de nitrógeno (NO2)
0,02 ppmv (2x10−6%)
yodo (I)
0,01 ppmv (1x10−6%)
monóxido de carbono (CO)
0,1 ppmv
amoniaco (NH3)
trazas
Excluido por ser aire en seco
~0,40% a nivel atmosférico, en agua (vapor) (H2O)
superficie: 1%‐4%
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CAPAS DE LA ATMÓSFERA TERRESTRE
Troposfera,
Estratosfera,
Mesosfera,
Termosfera y
E f
Exosfera.
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TROPOSFERA
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Sus principales características son:
Su espesor alcanza desde la superficie terrestre (tanto terrestre como
acuática o marina) hasta una altitud variable entre los 6 km en las zonas
polares y los 18 o 20 km en la zona intertropical, por las razones indicadas
más adelante.
Su temperatura disminuye con la altitud.
altitud La troposfera es la capa
inferior (más próxima a la superficie terrestre) de la atmósfera de la Tierra.
A medida que se sube, disminuye la temperatura en la troposfera, salvo
algunos casos de inversión térmica que siempre se deben a causas locales
o regionalmente determinadas.
La latitud del lugar determina el mayor o menor espesor de la
troposfera,
p
, siendo mucho mayor
y en la zona intertropical
p
por la fuerza
p
centrífuga del movimiento de rotación terrestre, y mucho menor en las
zonas polares por la fuerza centrípeta (achatamiento polar).
En la troposfera suceden los fenómenos que componen lo que
llamamos tiempo meteorológico.
La capa inferior de la troposfera se denomina la capa geográfica, que
es donde se producen la mayor proporción de fenómenos geográficos,
tanto en el campo de la geografía física como en el campo de la geografía
humana.
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ATMÓSFERA ESTANDAR
ATMÓSFERA ESTANDAR
El modelo de atmósfera estándar arroja temperaturas y presiones
barométricas estándares para incrementos de altitud dados desde el nivel
del mar, a efectos de la ingeniería de la aeronave.
En la atmósfera estándar la temperatura disminuye 2°C por cada 1000 ft
hasta alcanzar los 36.089 ft.
Por encima de este valor la temperatura se mantiene constante a –56,5°C,
hasta los 65.000 ft.
A partir
i de
d los
l 65.000
65 000 ft
f la
l temperatura aumenta.
La presión disminuye 0,934 in.Hg por cada 1000 ft de altitud.
Día estándar es el día teórico en el cual, a nivel del mar:
la temperatura es 15°C y la presión es de 29,92 in.Hg.
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TEMPERATURA SEGÚN LA ALTURA PARA UN DÍA TEMPERATURA SEGÚN LA ALTURA PARA UN DÍA ESTANDAR
ESTANDAR
Standard day temperatures for the altitude
Altitude
FEET
RMB
Standard Day Temperature
Standard Day
METERS
˚F
˚C
0
0
59.0
15.0
2000
610
51.9
11.1
4000
1219
44.7
7.1
6000
1829
37.6
3.1
8000
2438
30.5
‐0.8
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CAPAS ATMOSFÉRICAS
É
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ESTRATOSFERA
Su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos
horizontales (o estratos). Se extiende entre los 9 o 18 km hasta los 50 km
de altitud. La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra.
A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Este
aumento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta
t
transforman
f
all oxígeno
í
en ozono, proceso que involucra
i l
calor:
l
all
ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y,
por ende, del calor. Es por ello que a cierta altura existe una relativa
abundancia de ozono (ozonosfera) lo que implica también que la
temperatura se eleve a unos ‐3° C o más. Sin embargo, se trata de una
atmósfera muy enrarecida, muy tenue.
Ozonosfera
Se denomina capa de ozono, u ozonosfera, a la zona de la estratosfera terrestre que contiene una concentración relativamente alta de ozono. Esta capa, que se extiende aproximadamente de los 15 km a los 40 km de altitud, reúne el 90% del ozono presente en la atmósfera y absorbe del 97% al 99% de la radiación ultravioleta de alta frecuencia.
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MESOSFERA Es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. Se extiende entre los
50 y 80 km de altura,
altura contiene solo el 0.1%
0 1% de la masa total del aire.
aire Es la
zona más fría de la atmósfera, pudiendo alcanzar los ‐80 °C. Es
importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en
ella La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de
ella.
turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y
temporales muy grandes.
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TERMOSFERA
En la termosfera o ionosfera (de 69/90 a los 600/800 km), la
temperatura aumenta con la altitud,
altitud de ahí su nombre.
nombre La termosfera es
la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra. Se encuentra encima de la
mesosfera. A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia
con la mayor o menor radiación solar tanto durante el día como a lo largo
del año. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden
llegar a 1.500° C e incluso más altas. La termosfera de la Tierra también
incluye la región llamada ionosfera.
ionosfera En ella se encuentra el 0.1%
0 1% de los
gases.
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Física de la atmósfera
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EXOSFERA
La última capa de la atmósfera de la Tierra es la exosfera (600/800 ‐
2 000/10 000 km).
2.000/10.000
km) Esta es el área donde los átomos se escapan hacia el
espacio. Como su nombre indica, es la región atmosférica más distante de
la superficie terrestre. Su límite superior está relativamente indefinido. Es
la zona de tránsito entre la atmósfera terrestre y el espacio
interplanetario.
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Física de la atmósfera
Física de la atmósfera
DINÁMICA DE LA ATMÓSFERA: LAS CORRIENTES DE AIRE
Las corrientes de aire reducen drásticamente las diferencias de temperatura
entre el día y la noche,
noche distribuyendo el calor por toda la superficie del planeta.
planeta
Este sistema cerrado evita que las noches sean gélidas o que los días sean
extremadamente calientes.
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Física de la atmósfera: CIRCULACIÓN GENERAL DE LOS VIENTOS
Física de la atmósfera
: CIRCULACIÓN GENERAL DE LOS VIENTOS
Texto
Texto
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Física de la atmósfera: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VIENTOS
Física de la atmósfera
: CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VIENTOS
Í
Í
La medición de la velocidad y dirección del viento se efectúa con
instrumentos registradores
g
llamados anemómetros, q
que disponen
p
de
dos sensores: uno para medir la velocidad y otro para medir la dirección
del viento. Las mediciones se registran en anemógrafos.
Para que las mediciones sean comparables con las mediciones efectuadas
en otros lugares del planeta, las torres con los sensores de velocidad y
dirección deben obedecer a normativas estrictas dictadas por la OMM ‐
Organización Meteorológica Mundial.
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Física de la atmósfera
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Ciclón
•
•
•
•
•
RMB
La palabra "ciclón“ tiene su etimología en el griego κυκλών/
kyklón κυκλώνας/ kiklónas ‐ círculo en movimiento.
En meteorología ciclón usualmente suele aludir a vientos
intensos acompañados de tormenta; aunque también
designa a las áreas del planeta en las cuales la presión
atmosférica es baja.
j En esta segunda
g
acepción
p
el significado
g
de ciclón es equivalente al de borrasca, y es el fenómeno
opuesto al anticiclón.
Los ciclones y anticiclones tienen una importancia
fundamental en la generación de los vientos o corrientes
atmosféricas. En efecto, un área de bajas presiones genera
vientos al atraer las masas de aire atmosférico desde las
zonas de altas presiones o anticiclónicas.
Los ciclones tropicales (también conocidos como tormentas tropicales, huracanes y tifones) son
ciclones que se forman generalmente en océanos calientes (generalmente tropicales) y de ahí
succionan la energía de la evaporación y la condensación.
condensación Son característicos por tener una fuerte
área de baja presión en la superficie y una alta presión en los niveles altos de la atmósfera. Se originan
por la formación de centros de baja presión atmosférica en el mar.
Son altamente destructivos, ya que producen fuertes lluvias con vientos de al menos 120 km/h,
llegando sus ráfagas,
ráfagas en algunas ocasiones,
ocasiones a más de 300 km/h.
km/h
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Anticiclón
•
Un anticiclón es una zona atmosférica de alta presión, U
i i ló
fé i d l
ió
en la cual la presión atmosférica (corregida al nivel del mar) es superior a la del aire circundante. El aire de un anticiclón es más estable que el aire que le circunda y desciende sobre el s elo desde las capas altas de la
desciende sobre el suelo desde las capas altas de la atmósfera, produciéndose un fenómeno denominado subsidencia. Los anticiclones, debido a lo anterior, provocan situaciones de tiempo estable y ausencia de precipitaciones ya que la subsidencia limita la
precipitaciones, ya que la subsidencia limita la formación de nubes.
•
La circulación del aire en el interior de un anticiclón es, en el hemisferio norte, en el sentido de las manecillas del reloj, (dextrógiro), y en el hemisferio sur en sentido contrario a las manecillas del reloj, (levógiro). El sentido de giro del aire es pues inverso al que se da en un ciclón o borrasca, (el cual es levógiro en el hemisferio norte y b
( l
l l ó i
lh i f i
t
dextrógiro en el hemisferio sur).
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Física de la atmósfera
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Un peligro en aviación: Un peligro en aviación: LAS RÁFAGAS
LAS RÁFAGAS
•
La ráfaga, sea en la dirección que sea, supone siempre un cambio repentino de la
velocidad relativa del aire respecto al avión lo que produce un cambio brusco de
las cargas aerodinámicas y una respuesta inesperada de la aeronave.
•
En el diseño se tiene en cuenta los efectos estructurales, pero...
Ángulo de Ángulo
de
ataque VRESULTANTE
VR0
CUERDA
RÁFAGA
Ángulo de ataque final
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Física de la atmósfera
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FRICCIÓN ATMOSFÉRICA
La atmósfera es un escudo protector contra los impactos de enorme energía
que provocarían aún pequeños objetos espaciales al colisionar a altísima
velocidad la superficie del planeta.
Si atmósfera,
Sin
óf
l velocidad
la
l id d de
d colisión
li ió de
d estos objetos
bj
sería
í la
l suma de
d su
propia velocidad inercial espacial (medida desde nuestro planeta) más la
aceleración provocada por la gravitación terrestre.
La energía cinética de los meteoritos se transforma en calor por la fricción de
los mismos en el aire y desde la superficie vemos un meteoro, meteorito
o también estrella fugaz.
fugaz
La fricción es la manifestación macroscópica de una transferencia de energía
cinética o su transformación en otro tipo de energía,
cinética,
energía por la que un
cuerpo "pierde" movimiento cediéndoselo a otro ya sea transfiriéndole
parte de su propio movimiento o transformándose en movimientos
moleculares (calor, vibración sonora, etc.)
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Física de la atmósfera
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Velocidad constante en caída libre
•
Un cuerpo en caída libre dentro de la atmósfera puede tener velocidad
decreciente, dado que la atracción gravitacional produce un movimiento
uniformemente acelerado solamente en el vacío.
•
Si un cuerpo comienza a caer atravesando la atmósfera, se va acelerando hasta
que su peso es igual a la fuerza de fricción que se produce por el desplazamiento
dentro del aire. En ese momento deja de acelerar, y su velocidad comienza a
decrecer a medida que la atmósfera aumenta su densidad, provocando una fuerza
de fricción mayor.
•
Puede desacelerar la velocidad de caída no sólo por la densidad de la atmósfera
sino también p
por la variación del área de sección atravesada,, lo q
que aumenta la
fricción. Los acróbatas aéreos de caída libre pueden variar su velocidad de caída
acelerando o desacelerando: si se desplazan de cabeza aceleran hasta equilibrar su
peso, y si abren los brazos y p
p
piernas desaceleran.
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Red Bull Red Bull Stratos
Stratos
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•
En el salto en caída libre
desde 36.576 metros /
120 000 pies de altitud
120.000
Felix
Baumgartner
utilizará un globo con un
diseño estandar de los
utilizados en los globos
sonda de gran altitud para
estudios científicos, con el
cuidado que requiere un
plástico diez veces más
delgado que el de una
bolsa de supermercado.
•
Esto complica su manejo en tierra,
tierra pues mide casi 200 metros sin hinchar,
hinchar aunque en el momento del
lanzamiento medirá unos 183 desde su parte superior a la inferior de la góndola, para irse expandiendo según
gane altura hasta medir sólo unos 110 metros de alto por 141 de ancho a la altitud de lanzamiento. La cápsula se
mantendrá a una presión equivalente a la de una altura de unos 5.300 metros sobre el nivel del mar. Su traje
lleva un control automático que hará que Félix nunca esté a una presión inferior a la equivalente a 12.000
12 000
metros, que ya es muy baja, para evitar que los gases de su cuerpo se expandan y sufra problemas de
descompresión. El austriaco quiere convertirse en la primera persona en alcanzar la mayor altura en un globo
tripulado, salto en caída libre desde la mayor altura, romper la barrera del sonido sin más protección que la de su
traje presurizado y salto en caída libre de mayor duración (espera conseguir “vola”
vola durante 5 minutos y medio
antes de que, a 5.000 metros abra el paracaídas.
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