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La atmósfera es una envoltura de aire que rodea la Tierra y descansa sobre su superficie. Es tan parte de la tierra como los mares o la tierra, pero el aire difiere de la tierra y el agua ya que es una mezcla de gases. Tiene masa, peso y forma indefinida.

La atmósfera está compuesta por 78 % de nitrógeno, 21 por ciento de oxígeno y 1 por ciento de otros gases, como argón o helio. Algunos de estos elementos son más pesados que otros. Los elementos más pesados, como el oxígeno, se asientan en la superficie de la Tierra, mientras que los elementos más ligeros se elevan a la región de mayor altitud. La mayor parte del oxígeno de la atmósfera está contenido por debajo de 35.000 pies de altitud.

¿El aire es un fluido?

Cuando la mayoría de las personas escuchan la palabra "fluido", usualmente piensan en líquido. Sin embargo, los gases, como el aire, también son fluidos. Los fluidos toman la forma de sus contenedores. Los fluidos generalmente no resisten la deformación cuando se aplica incluso el estrés más pequeño, o lo resisten sólo ligeramente. Llamamos a esto viscosidad de resistencia leve. 

Los fluidos también tienen la capacidad de fluir. Así como un líquido fluye y llena un contenedor, el aire se expandirá para llenar el volumen disponible de su contenedor. Tanto los líquidos como los gases muestran estas propiedades únicas del fluido, aunque difieren mucho en densidad. Comprender las propiedades fluidas del aire es esencial para comprender los principios del vuelo.

Viscosidad en la atmosfera

La viscosidad es la propiedad de un fluido que hace que resista el flujo. La forma en que las moléculas individuales del fluido tienden a adherirse, o adherirse, entre sí determina cuánto un fluido resiste el flujo. Los fluidos de alta viscosidad son "gruesos" y resisten el flujo; los fluidos de baja viscosidad son "delgados" y fluyen fácilmente. El aire tiene una viscosidad baja y fluye fácilmente.

Usando dos líquidos como ejemplo, cantidades similares de aceite y agua vertidas por dos rampas idénticas fluirán a diferentes velocidades debido a su diferente viscosidad. El agua parece fluir libremente mientras que el aceite fluye mucho más lentamente.

Como otro ejemplo, diferentes tipos de líquidos similares mostrarán diferentes comportamientos debido a las diferentes viscosidades. La grasa es muy viscosa. Con el tiempo, la grasa fluirá, aunque el caudal sea lento. El aceite de motor es menos viscoso que la grasa y fluye mucho más fácilmente, pero es más viscoso y fluye más lentamente que la gasolina.

Todos los fluidos son viscosos y tienen una resistencia al flujo, ya sea que observemos o no esta resistencia. No podemos observar fácilmente la viscosidad del aire. Sin embargo, dado que el aire es un fluido y tiene propiedades de viscosidad, resiste el flujo alrededor de cualquier objeto hasta cierto punto.

Fricción en la atmosfera

La fricción es la resistencia que una superficie u objeto encuentra al moverse sobre otra. Existe fricción entre dos materiales cuales quiera que entran en contacto entre sí.

Los efectos de la fricción se pueden demostrar utilizando un ejemplo similar al anterior. Si se vierten líquidos idénticos por dos rampas idénticas, fluyen de la misma manera y a la misma velocidad. Si la superficie de una rampa es rugosa, y la otra lisa, el flujo hacia abajo de las dos rampas difiere significativamente. 

La rampa superficial áspera impide el flujo del fluido debido a la resistencia de la superficie (fricción). Es importante recordar que todas las superficies, no importa cuán lisas parezcan, no son lisas a nivel microscópico e impiden el flujo de un fluido.

La superficie de un ala, como cualquier otra superficie, tiene una cierta rugosidad a nivel microscópico. La rugosidad de la superficie causa resistencia y ralentiza la velocidad del aire que fluye sobre el ala.

Las moléculas de aire pasan sobre la superficie del ala y en realidad se adhieren (se pegan o se aferran) a la superficie debido a la fricción. Las moléculas de aire cerca de la superficie del ala resisten el movimiento y tienen una velocidad relativa cercana a cero. La rugosidad de la superficie impide su movimiento. La capa de moléculas que se adhieren a la superficie del ala se conoce como la capa límite.

Una vez que la capa límite del aire se adhiere al ala por fricción, una mayor resistencia al flujo de aire es causada por la viscosidad, la tendencia del aire a adherirse a sí mismo. Cuando estas dos fuerzas actúan juntas para resistir el flujo de aire sobre un ala, se llama arrastre.

Presión en la atmosfera

La presión es la fuerza aplicada en una dirección perpendicular a la superficie de un objeto. A menudo, la presión se mide en libras de fuerza ejercida por pulgada cuadrada de un objeto, o PSI. Un objeto completamente sumergido en un fluido sentirá la presión uniformemente alrededor de toda la superficie del objeto. Si la presión sobre uno superficie del objeto se convierte en menos de la presión ejercida en las otras superficies, el objeto se moverá en la dirección de la presión más baja.

El aire es muy ligero, pero tiene masa y se ve afectado por la atracción de la gravedad. Por lo tanto, como cualquier otra sustancia, tiene peso, y debido a su peso, tiene fuerza. Puesto que el aire es una sustancia fluida, esta fuerza se ejerce igualmente en todas las direcciones. Su efecto sobre los cuerpos dentro del aire se llama presión. 

En condiciones estándar a nivel del mar, la presión media ejercida por el peso de la atmósfera es de aproximadamente 14.70 libras por pulgada cuadrada (psi) de superficie, o 1,013.2 milibares (mb). El espesor de la atmósfera es limitado; por lo tanto, cuanto mayor es la altitud, menos aire hay arriba. Por esta razón, el peso de la atmósfera a 18.000 pies es la mitad de lo que es a nivel del mar.

La presión de la atmósfera varía con el tiempo y la ubicación. Debido a la presión atmosférica cambiante, se desarrolló una referencia estándar. La atmósfera estándar a nivel del mar es una temperatura superficial de 59 °F o 15 °C y una presión superficial de 29,92 pulgadas de mercurio ("Hg) o 1.013,2 mb.

Una velocidad de lapso de temperatura estándar es cuando la temperatura disminuye a la velocidad de aproximadamente 3.5 °F o 2 °C por mil pies hasta 36.000 pies, que es aproximadamente -65 °F o -55 °C. 

Por encima de este punto, la temperatura se considera constante hasta 80.000 pies. Una tasa de lapso de presión estándar es cuando la presión disminuye a una tasa de aproximadamente 1 "Hg por 1,000 pies de aumento de altitud a 10,000 pies. La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) ha establecido esto como una norma mundial, y a menudo se conoce como Atmósfera Internacional Estándar (ISA) o Atmósfera Estándar de la OACI. Cualquier temperatura o presión que difiere de las tasas de lapso estándar se considera temperatura y presión no estándar.

Dado que el rendimiento de la aeronave se compara y evalúa con respecto a la atmósfera estándar, todos los instrumentos de la aeronave están calibrados para la atmósfera estándar. Para tener debidamente en cuenta la atmósfera no estándar, se deben definir ciertos términos relacionados.

Presión de altitud en la atmosfera

La altitud de presión es la altura por encima de un plano de datos estándar (SDP), que es un nivel teórico donde el peso de la atmósfera es 29.92 "Hg (1,013.2 mb) medido por un barómetro. Un altímetro es esencialmente un barómetro sensible calibrado para indicar la altitud en la atmósfera estándar. Si el altímetro está fijado para 29.92 "Hg SDP, la altitud indicada es la altitud de presión. A medida que cambia la presión atmosférica, el SDP puede estar por debajo, en o por encima del nivel del mar. La altitud de presión es importante como base para determinar el rendimiento del avión, así como para asignar niveles de vuelo a los aviones que operan a o por encima de 18.000 pies.

La altitud de presión puede determinarse mediante uno de los métodos siguientes:

2. Aplicar un factor de corrección a la altitud indicada de acuerdo con el ajuste del altímetro notificado.

Densidad de altitud en la atmosfera

SDP es una altitud de presión teórica, pero los aviones operan en una atmósfera no estándar y el término altitud de densidad se utiliza para correlacionar el rendimiento aerodinámico en la atmósfera no estándar. La altitud de densidad es la distancia vertical sobre el nivel del mar en la atmósfera estándar en la que se encuentra una densidad dada. La densidad del aire tiene efectos significativos en el rendimiento de la aeronave porque a medida que el aire se vuelve menos denso, reduce:

La altitud de densidad es la altitud de presión corregida para la temperatura no estándar. A medida que aumenta la densidad del aire (menor densidad de altitud), aumenta el rendimiento de la aeronave; por el contrario, a medida que disminuye la densidad del aire (mayor densidad de altitud), disminuye el rendimiento de la aeronave. Una disminución en la densidad del aire significa una altitud de alta densidad; un aumento en la densidad del aire significa una altitud de menor densidad. 

La altitud de densidad se utiliza en el cálculo del rendimiento de la aeronave porque en condiciones atmosféricas estándar, el aire en cada nivel en la atmósfera no sólo tiene una densidad específica, su altitud de presión y altitud de densidad identifican el mismo nivel.

El cálculo de la altitud de densidad implica la consideración de la presión (altitud de presión) y la temperatura. Dado que los datos de rendimiento de la aeronave a cualquier nivel se basan en la densidad del aire en condiciones diurnas estándar, dichos datos de rendimiento se aplican a niveles de densidad del aire que pueden no ser idénticos a las indicaciones del altímetro. En condiciones superiores o inferiores a la norma, estos niveles no pueden determinarse directamente desde el altímetro.

La altitud de densidad se determina primero encontrando la altitud de presión, y luego corrigiendo esta altitud para variaciones de temperatura no estándar. Dado que la densidad varía directamente con la presión e inversamente con la temperatura, puede existir una altitud de presión dada para un amplio rango de temperaturas al permitir que la densidad varíe. 

Sin embargo, una densidad conocida ocurre para cualquier temperatura y altitud de presión. La densidad del aire tiene un efecto pronunciado en el rendimiento de aeronaves y motores. Independientemente de la altitud real del avión, funcionará como si estuviera operando a una altitud igual a la altitud de densidad existente.

La densidad del aire se ve afectada por los cambios de altitud, temperatura y humedad. La altitud de alta densidad se refiere al aire delgado, mientras que la altitud de baja densidad se refiere al aire denso. Las condiciones que dan lugar a una altitud de alta densidad son altas elevaciones, presiones atmosféricas bajas, altas temperaturas, humedad alta, o alguna combinación de estos factores. Las elevaciones más bajas, la presión atmosférica alta, las temperaturas bajas y la humedad baja son más indicativas de la altitud de baja densidad.

Efecto de la temperatura sobre la densidad 

El aumento de la temperatura de una sustancia disminuye su densidad. Por el contrario, la disminución de los aumentos de temperatura la densidad. Así, la densidad del aire varía inversamente con temperatura. Esta declaración es verdadera sólo a una presión constante.

En la atmósfera, tanto la temperatura como la presión disminuyen con la altitud y tienen efectos contradictorios sobre la densidad. Sin embargo, una caída bastante rápida de la presión a medida que aumenta la altitud suele tener un efecto dominante. Por lo tanto, los pilotos pueden esperar que la densidad disminuya con la altitud.

Efecto de la humedad sobre la densidad

Los párrafos anteriores se refieren al aire que es perfectamente seco, pero. La pequeña cantidad de vapor de agua suspendida en la atmósfera puede ser casi insignificante bajo ciertas condiciones, pero en otras condiciones la humedad puede convertirse en un factor importante en el rendimiento de una aeronave. 

El vapor de agua es más ligero que el aire; en consecuencia, el aire húmedo es más ligero que el aire seco. Por lo tanto, a medida que el contenido de agua del aire aumenta, el aire se vuelve menos denso, aumentando la altitud de densidad y disminuyendo el rendimiento. Es más ligero o menos denso cuando, en un determinado conjunto de condiciones, contiene la máxima cantidad de vapor de agua.

La humedad, también llamada humedad relativa, se refiere a la cantidad de vapor de agua contenida en la atmósfera y se expresa como un porcentaje de la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener. Esta cantidad varía con la temperatura. El aire caliente contiene más vapor de agua, mientras que el aire frío contiene menos.

El aire perfectamente seco que no contiene vapor de agua tiene una humedad relativa de cero por ciento, mientras que el aire saturado, que no puede contener más vapor de agua, tiene una humedad relativa de 100 por ciento. La humedad por sí sola generalmente no se considera un factor importante en el cálculo de la altitud de densidad y el rendimiento de la aeronave, pero es un factor contribuyente.

A medida que aumenta la temperatura, el aire puede contener mayores cantidades de vapor de agua. Al comparar dos masas de aire separadas, la primera cálida y húmeda (ambas cualidades tienden a aligerar el aire) y la segunda fría y seca (ambas cualidades lo hacen más pesado), la primera debe ser menos densa que la segunda. 

La presión, la temperatura y la humedad tienen una gran influencia en el rendimiento del avión debido a su efecto sobre la densidad. No hay reglas de oro que se puedan aplicar fácilmente, pero el efecto de la humedad se puede determinar utilizando varias fórmulas en línea. 

Usando la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). para la altitud de densidad, ingrese el 22.22 para 8,000 pies en la ventana de presión de la estación. Introduzca una temperatura de 80° y un punto de rocío de 75°. El resultado es una altitud de densidad de 11.564 pies. Sin humedad, la altitud de densidad sería casi 500 pies más bajo.

En cualquier caso, los efectos de la humedad sobre la altitud de densidad incluyen una disminución del rendimiento general en condiciones de alta humedad.