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 sobre la velocidad de ascenso o descenso . ^{[ 1 ]} Puede calibrarse 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 utiliza frecuentemente el VSI para asegurarse de que se mantiene el vuelo nivelado, especialmente durante las maniobras de giro. En planeo , el instrumento se utiliza casi continuamente durante el vuelo normal, a menudo con una señal acústica, para informar al piloto sobre corrientes de aire ascendentes o descendentes . Es habitual que los planeadores estén equipados con más de un tipo de variómetro. El tipo más sencillo no necesita una fuente de alimentación externa y, por lo tanto, se puede confiar en que funcione independientemente de si se ha instalado una batería o una fuente de alimentación. El tipo electrónico con audio necesita una fuente de alimentación para funcionar durante el vuelo. El instrumento es de poca utilidad durante el despegue y el aterrizaje, con la excepción del remolque aéreo , donde el piloto normalmente querrá evitar soltarlo en descenso.

En 1930, según Ann Welch , " Kronfeld ... fue uno de los primeros en usar 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 , con Hirth usando 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 mayor habilidad, pueden, con relativa seguridad, mantenerse en el aire durante horas de esta manera, y así, mediante la práctica constante, aumentar su conocimiento y habilidad de tal manera que pueden ascender a las capas más altas del aire y buscar las corrientes que permiten a las aves planeadoras transportarse a cualquier punto deseado, primero ascendiendo en círculo y luego descendiendo en ángulo". ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Según Paul MacCready , «Un variómetro es esencialmente un altímetro de presión con una fuga que tiende a hacer que registre la altitud de un instante 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 la variación de la presión atmosférica (presión estática) a medida que cambia la altitud. Los tipos comunes de variómetros incluyen los basados ​​en diafragma, paleta (bocina), banda tensada o eléctricos. El variómetro de paleta consta de 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 circuitos impresos con resistencias variables conectadas a la membrana de una pequeña cavidad de vacío. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Se puede construir un variómetro sencillo añadiendo un depósito grande (un termo ) para aumentar la capacidad de almacenamiento de un instrumento común de medición de la velocidad de ascenso de una aeronave. En su forma electrónica más simple, el instrumento consta de una botella de aire conectada a la atmósfera exterior mediante un medidor de flujo de aire sensible. A medida que la aeronave cambia de altitud, la presión atmosférica exterior varía y el aire entra o sale de la botella para igualar la presión dentro de la botella y fuera de la aeronave. La velocidad y la dirección del flujo de aire se miden mediante el enfriamiento de uno de dos termistores autocalentables , y la diferencia entre las resistencias de los termistores produce una diferencia de voltaje; esta 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 entra en la botella indica que la aeronave está descendiendo.

Los variómetros de diseño más reciente miden directamente la presión estática atmosférica mediante un sensor de presión y detectan los cambios de altitud a partir de la variación de la presión atmosférica, en lugar de medir el flujo de aire. Estos dispositivos suelen ser más pequeños, ya que no requieren una botella de aire comprimido. Además, son más fiables, puesto que no hay ninguna botella que pueda verse afectada por los cambios de temperatura y se reducen las posibilidades de fugas en los tubos de conexión.

Los diseños descritos anteriormente, que miden la tasa de cambio de altitud detectando automáticamente la variación de 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 referirse al instrumento cuando se instala en una aeronave motorizada. El término "variómetro" se utiliza con mayor frecuencia cuando el instrumento se instala en un planeador.

Un VSI (IVSI) de "adelante inercial" o "instantáneo" 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 pueden percibir directamente las velocidades de ascenso y descenso. Antes de la invención del variómetro, a los pilotos de planeadores les resultaba muy difícil planear . Si bien podían detectar fácilmente cambios bruscos en la velocidad vertical (intuyendo el movimiento), sus sentidos no les permitían distinguir entre sustentación y descenso, ni entre sustentación fuerte y débil. La velocidad real de ascenso/descenso era imposible de estimar, a menos que hubiera una referencia visual fija y clara cerca. Estar cerca de una referencia fija significa estar cerca de una ladera o del suelo. Excepto al planear en ladera (aprovechando la sustentación cerca de la ladera de barlovento), estas posiciones suelen ser muy poco ventajosas para los pilotos de planeadores. Las formas más útiles de sustentación ( térmica y de onda ) se encuentran a mayor altitud y es muy difícil para un piloto detectarlas o aprovecharlas 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, al aire libre, oye el viento pero necesita el variómetro para detectar regiones de aire ascendente o descendente. En los inicios del ala delta, los variómetros no eran necesarios para los vuelos cortos o los vuelos cerca de corrientes ascendentes de ladera. Pero el variómetro se volvió clave cuando los pilotos comenzaron a realizar vuelos más largos. El primer variómetro portátil para usar en alas delta fue el Colver Variometer, presentado en la década de 1970 por Colver Soaring Instruments, ^{[ 11 ]} que sirvió para extender el deporte al vuelo térmico de campo a través. ^{[ 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 el deporte del vuelo sin motor se desarrollaba, se descubrió que estos instrumentos tan simples y "sin compensación" tenían sus limitaciones. La información que los pilotos de planeadores realmente necesitan para planear es el cambio total de energía que experimenta el planeador, incluyendo tanto la altitud como la velocidad. Un variómetro sin compensación simplemente indicará la velocidad vertical del planeador, lo que da lugar a la posibilidad de una " térmica de palanca ", es decir, un cambio de altitud causado únicamente por el movimiento de la palanca. Si un piloto tira de la palanca, el planeador ascenderá, pero también disminuirá su velocidad. Pero si un planeador asciende sin que cambie la velocidad, esto indica sustentación real, no "sustentación de 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 mientras 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 extra por altitud nuevamente. Un variómetro compensado utiliza tanto la velocidad como la altitud para indicar el cambio en la energía total. Así, el piloto que empuja la palanca hacia adelante, descendiendo para ganar velocidad, y luego tira de ella hacia atrás para recuperar altitud no notará ningún cambio en la energía total en un variómetro compensado (sin tener en cuenta la pérdida de energía debida a la resistencia del aire).

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 muestran estos instrumentos depende no solo del movimiento de la masa de aire y del rendimiento del planeador, sino también, en gran medida, de los cambios en el ángulo de ataque ( movimientos del elevador )... Esto hace prácticamente imposible extraer información útil, como, por ejemplo, la ubicación de las 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 (debido a la altitud) como su energía cinética (debido a la velocidad aerodinámica)». ^{[ 5 ]}

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

Compensación energética total en teoría

La energía total de la aeronave es:

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

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

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${\displaystyle m}$es la masa del planeador y${\displaystyle g}$la aceleración de la gravedad

y

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

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

luego desde 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 dividiéndolo por la aceleración de la gravedad y la masa de la aeronave, de modo que:

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

Compensación energética total en la práctica

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 según la presión total (pitot más estática) derivada de la velocidad del aire. De este modo, los efectos de la velocidad del aire compensan el aumento de la presión de descenso, debido a la aceleración, o la disminución de la presión de descenso, debido a la desaceleración. El compensador venturi proporciona una presión negativa dependiente de la velocidad, de manera que la presión disminuye a medida que aumenta la velocidad, compensando así el aumento de la presión estática debido al descenso. Según Helmut Reichmann , «...el punto de montaje del venturi menos sensible parece estar en el cuarto superior de la aleta vertical, unos 60 cm (2 pies) por delante del borde de ataque». Entre los tipos de compensadores venturi se 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 Braunschweig Tube. ^{[ 5 ] [ 8 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Muy pocos aviones a motor cuentan con 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 desean mantener una altitud constante o un ascenso o descenso uniforme.

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

En 1954, Paul MacCready escribió sobre una corrección de la velocidad de descenso para un venturi de energía total. MacCready afirmó: «En aire en calma... un planeador tiene una velocidad de descenso diferente a cada velocidad del aire... sería mejor si el variómetro añadiera automáticamente la velocidad de descenso y, por lo tanto, mostrara el movimiento vertical del aire en lugar del movimiento vertical del planeador. La corrección se puede realizar mediante diversos métodos. Probablemente el más conveniente sea utilizar el venturi de energía total y la presión dinámica del tubo 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' de la indicación. Para ello, se utiliza el hecho de que por encima de la velocidad de mejor planeo, la velocidad de descenso polar del planeador aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad aerodinámica. Dado que la presión del tubo Pitot también aumenta con el cuadrado de la velocidad, se puede utilizar 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 indica el movimiento vertical neto del aire con el movimiento o descenso del planeador eliminado de la lectura habitual del variómetro." ^{[ 18 ]}

El variómetro de Netto Relativo indica la velocidad vertical que alcanzaría el planeador SI volara a velocidad térmica, independientemente de la velocidad y actitud actuales del aire. Esta lectura se calcula como la lectura del Netto menos el descenso mínimo del planeador. Cuando el planeador gira para aprovechar una térmica, el piloto necesita conocer la velocidad vertical del planeador en lugar de la de la masa de aire. El variómetro de Netto Relativo (o a veces el super Netto ) incluye un sensor g para detectar la térmica. Al volar en térmica, el sensor detectará una aceleración (gravedad más centrífuga) superior a 1 g e indicará al variómetro de Netto Relativo que deje de restar la tasa de descenso polar ajustada a la carga alar del planeador durante ese tiempo. Algunos nettos anteriores utilizaban un interruptor manual en lugar del sensor g.

En 1954, MacCready señaló las ventajas de un variómetro de audio: «Se puede obtener mucho beneficio 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 observarse continuamente. Si el piloto puede obtener la lectura de oído, puede mejorar su vuelo térmico observando los planeadores cercanos y puede mejorar sustancialmente el vuelo en general estudiando las formaciones de nubes que utilizará 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, un ejemplo de sonificación . Normalmente, el tono de audio aumenta de frecuencia a medida que el variómetro muestra una mayor velocidad de ascenso y disminuye de frecuencia hasta convertirse en un gemido profundo a medida que el variómetro muestra una mayor velocidad de descenso. Cuando el variómetro muestra un ascenso, el tono suele ser entrecortado y la frecuencia de los cortes puede aumentar a medida que aumenta la velocidad de ascenso, mientras que durante un descenso el tono no se entrecorta. El variómetro suele ser silencioso en aire en calma o con sustentación más débil que la velocidad de descenso típica del planeador en descenso mínimo . Esta señal de audio permite al piloto concentrarse en la vista externa en lugar de tener que observar los instrumentos, lo que mejora la seguridad y también le da más oportunidades para buscar nubes prometedoras y otros signos de sustentación. Un variómetro que produce este tipo de tono audible se conoce como "variómetro de audio".

Los variómetros electrónicos avanzados en los planeadores pueden proporcionar al piloto información adicional proveniente de los receptores GPS . La pantalla muestra así el rumbo, la distancia y la altitud necesarios para alcanzar un objetivo. En el modo crucero (utilizado en vuelo recto), el variómetro también emite una señal sonora que indica la velocidad correcta de vuelo, según si el aire está ascendiendo o descendiendo. El piloto solo tiene que introducir el ajuste estimado de MacCready , que representa la tasa de ascenso prevista en la siguiente térmica aceptable.

Existe una tendencia creciente hacia la incorporación de variómetros avanzados en planeadores, que se integran con computadoras de vuelo (con indicadores de variómetro) y que pueden presentar información como el espacio aéreo controlado, listas de puntos de giro e incluso alertas de colisión. Algunos también almacenan datos de posicionamiento GPS durante el vuelo para su posterior análisis.

Los variómetros también se utilizan en planeadores radiocontrolados . Cada sistema de variómetro consta de un transmisor de radio en el planeador y un receptor en tierra para uso del piloto. Según el diseño, el receptor puede proporcionar al piloto la altitud actual del planeador y una pantalla que indica si este está ganando o perdiendo altitud, generalmente mediante un tono audible. El sistema también puede ofrecer otros tipos de telemetría , mostrando parámetros como la velocidad aerodinámica y el voltaje de la batería. Los variómetros utilizados en planeadores radiocontrolados pueden o no contar con compensación total de energía.

Los variómetros no son esenciales en los planeadores radiocontrolados; un piloto experimentado generalmente puede determinar si el planeador asciende o desciende solo con referencias visuales. El uso de variómetros está prohibido en algunas competiciones de vuelo sin motor para planeadores radiocontrolados.

• 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