Dinámica de tormentas

Tormentas multicelulares y sumideros fríos

Tormenta multicelularCeldas maduras Celdas en desarrollo

Nicolini

Celdas maduras Celdas en desarrollo

Tormenta Multicelular• Tormenta multicelular (cluster) – Grupo de celdas que

se mueven como una unidad, a menudo con cada celdaen una etapa diferente del ciclo de vida de la tormenta.Pueden producir granizo de tamaño moderado, inundaciones y tornados débiles.

• Tormenta multicelular (línea de inestabilidad) -consiste en una línea de tormentas con un frente de ráfagas bien desarrollado y continuo en la parte delantera de la línea. También conocidas como líneasde inestabilidad, estas tormentas pueden estaracompañadas por una parte posterior estratiforme, tienen una mayor escala espacial y un tiempo de vidamás prolongado que los clusters. Estas tormentaspueden producir granizo pequeño a moderado, inundaciones ocasionales y tornados débiles.

Tiempo asociado a multicelulares

• El tiempo severo asociado a multicelulares puede ser variado, generalmente el potencial severo es mayor que en las tormentas ordinarias pero considerablemente menorque en las superceldas, porque las ascendentes de lasceldas que las componen están lo suficientemente cercacomo para competir por la humedad de niveles bajos.

• Las tormentas multicelulares organizadas tienen un mayor potencial de tiempo severo, si bien las no-organizadaspueden producir pulsos cortos de eventos severos.

Como “ve” el radar las múltiples celdas

4 celdas

Esta también puedecontenermúltiples celdas

• El radar a menudo refleja la naturaleza multicelular de lastormentas (núcleos amarillos en la parte inferior de esta figuradentro de una zona verede de menor reflectividad)

• Ocasionalmente, una tormentamulticelular puede aparecercomo unicelular en un barridoPPI del radar con baja elevaciónde antena pero cuando en la secuencia de barrido la antenase eleva se visualizan distintostopes en su porción superior.

n+1

n-2 n-1 n

Ciclo de vida de tormentas multicelulares

Ciclo de vida - evolución celdas en un cluster multicelular

• Esta figura representa una porcióndel ciclo de vida de una tormentamulticelular.

Cuando la celda 1 se disipa en t=0, la celda 2 madura y rapidamente se torna en la dominante. Unos 10 min más tarde la celda 2 libera suprecipitación más intensa mientrasla celda 3 se intensifica y la historiacontinúa….

• Si nos concentramos en T = 20 minutos se observa que la celda 3 tiene el tope más alto, sin embargo la precipitación anula el ascenso en niveles bajos. Nuevos ecos se desarrollan en altura en las celdas 4 y 5 en la línea lateral, con lluvia débil precipitando de las celdas 1 y 2 en el otro costado del cluster.

• El cuadro en el costado superior ejemplifica como podría ser un PPI de radar en nivelesbajos. Parecería indicar la presencia de una tormenta unicelular, sin embargo los ecos en el tope revelan la presencia de múltiples celdas.

A Real Example of Multicell storm

• Esta es una tormenta real, con los contornos de reflectividad superpuestos. Observen las similitudes físicascon la figura anterior sólo que la numeración de las celdasha sido invertida.

Movimiento de celdas versus movimiento de tormentas

• Las celdas dentro de unatormenta (sistema) no necesariamente se muevena la misma velocidad y/odirección que las del sistema en su totalidad.

• El sistema tormenta puedemoverse como el resultadodel crecimiento y decaimiento sucesivo de celdas (componente de propagación).

• Puede también tener unacomponente de movimiento de cada celda.

• Los vientos del entornopueden tener un efectosignificativo en el movimiento de la celday/o de la tormenta , perolas tormentas no necesariamente siguen a los vientos.

Crecimiento de una tormentamulticelular

Time (0-21min)

Altura (3-12km)

Regeneración de celdas en las tormentasmulticelulares

• Antes de discutir la regeneración de celdas en lastormentas multicelulares, vamos a centrarnos en la dinámica del sumidero frío (su parte delantera es el frentede ráfagas) que representa un tipo de corriente de densidad. Juega un rol importante en los sistemas convectivos de larga duración.

Modelo esquemático de una tormenta y del flujo saliente de sucorriente de densidad

Circulaciónde la descendente- Corriente de densidad

(Simpson 1997)

Rol del sumidero frío en una tormenta convectiva

En superficie, el sumidero frío se propaga comouna corriente de densidad o de gravedad

Flujo saliente de una tormenta/Frente de ráfagas visible por el polvo levantado

“Haboob” en Sudan

El frente de ráfagas se propaga a lo largo de superficie en la forma de una corriente de densidad o de gravedad

Una corriente de densidad o de gravedad, es una región de fluído denso que se propaga en un entorno de menor densidadforzado por el gradiente horizontal de presión a través de la superficie frontal.

1/2( / )c k p ρ= ∆

c u=0

En el laboratorio

Agua salada

Agua fresca

Esquema del flujo saliente de una tormenta(Goff 1976, basado en mediciones en torre instrumentada)

Rotor

Frente de Ráfagas/ Dinámica de corrientes de densidad

• Referencia: Houze, Páginas 313-319.

Aspectos a estudiar:• Velocidad de propagación del frente de la corriente de

densidad (frente de ráfagas).• Perturbación de presión en la base del sumidero

frío/corriente de densidad. • Perturbación de presión (dinámica) por delante del

frente de ráfagas. • Perturbaciones de presión asociadas a las circulaciones

en el plano vertical (rotor)

La propagación del frente de ráfagas

• La velocidad del frente de ráfagas, relativa al influjo en niveles bajos, a menudo esdeterminante en la propagación del sistematormenta. Esto se cumple mejor en el caso de líneas de inestabilidad con características 2-D. De allí que sea importante determinar estavelocidad.

• Vamos a demostrar que el gradiente horizontal de presión a través del frente de esta corrienteresponde básicamente a la diferencia de densidad a través del frente.

Velocidad de Propagacióndel frente de ráfagas–Cómo determinarlo?

• Para una corriente de densidad idealizada como la que se muestra en la Fig,

• Qué aceleraciones ignoramos? Fricción, Coriolis, efecto del mov. vertical

• Ahora, a fin de simplificar el problema, nos ubicamos en un sistema de coordenadas que se mueve con el frente de ráfagas. En este sistema de coordenadas, la corriente de densidad/frente de ráfagas es estacionaria, y la velocidad del flujo entrante relativa al frente en el caso en que se propague en un entorno en calma es igual a la velocidad del frente de ráfagas (con signo menos). Además suponemos que el flujo esestacionario en este sistema de coordenadas, suposiciónrazonablemente válida cuando no se tienen en cuenta los efectosturbulentos.

0

1 'du pdt xρ

∂= −

∂

2

0 0

1 ' /2 1 '/ 0 u p u pt ux x x xρ ρ

∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂ = ⇒ = − ⇒ = −

∂ ∂ ∂ ∂

Velocidad de Propagación del frente de ráfagas

• Se integra la ecuación anterior a lo largo de una línea de corriente a lo largo del borde inferior desde lejos donde uR = Uf and p' = 0 hasta un punto justo detrás del frente de ráfagas donde uR =0 y p'=∆p:

• Esta expresión relaciona la velocidad de propagación del frente de ráfagas con la perturbación de presión en superficie (∆p) asociada con el sumidero frío/la corriente de densidad.

• Esta fórmula es general. Las contribuciones a la perturbación de p en superficie resultantes del sumidero frío (efecto hidrostático), el calentamiento en niveles más altos(también efecto hidrostático), el efecto no-hidrostático (aceleración vertical) y la perturbación de presión dinámica pueden todos estar incluídos.

2

0 0

22

U p pUρ ρ∆ ∆

= ⇒ =

Velocidad de Propagación del frente de ráfagas

• Si suponemos que el ∆p es puramente debido al efecto hidrostático de un fluído (aire) más denso (ρ = ρ0 + ∆ρ) dentro del sumidero frío de profundidad h (otros efectos son ignorados), es posible reescribir la formula anterior (suponiendo que la perturbación de presión porencima del sumidero frío es nula) como:

Uf = [2gh(∆ρ)/ρ0]1/2, • En lo anterior se utiliza la ecuación de movimiento vertical (con dw/dt

= 0) y se integra desde superficie hasta el tope de la corriente de densidad a la altura h.

• Es posible estimar un valor para Uf si aproximamos ∆ρ/ρ0= - ∆θ/θ0, entonces Uf = [2gh(- ∆θ/θ0)]1/2 y si suponemos valores paraθ0= 300K, ∆θ=-4K, h=1.5 km y con el valor obtenido Uf es posibleestimar un valor para ∆p.

• En este caso, la velocidad de la corriente de densidad es dependientede la profundidad de la corriente de densidad y de la diferencia de densidades a través del frente, resultado esperado.

• Cuando se incluyen otros efectos, la velocidad puede ser algodiferente. Pero generalmente es correcto decir que, cuanto másprofunda y/o más densa es la corriente de densidad/sumidero frío, se propaga más rápido.

Perturbaciones de presión delante del frente de ráfagas

• En el modelo idealizado previo en el sistema de coordenadas que sigueal frente de ráfagas, la velocidad del flujo entrante disminuye hastacero a medida que el aire se acerca al frente desde lejos corrientearriba. Debe existir un gradiente de presión horizontal por delante del frente de ráfagas capaz de desacelerar el flujo. Debe existir unaperturbación positiva de presión delante del frente de ráfagas y estaperturbación de presión positiva tiene que ser igual a la producida porel sumidero frío.

• Podemos reescribir la ecuación anterior como

es constante a lo largo de la línea de corriente que sigueal borde inferior lo cual es una forma especial de la función de Bernoulli (con el efecto del desplazamiento vertical excluído).

2 2 2

0 0 0

/ 2 1 ' ' '02 2

u p u p u p Cx x xρ ρ ρ

⎡ ⎤∂ ∂ ∂= − ⇒ + = ⇒ + =⎢ ⎥∂ ∂ ∂ ⎣ ⎦

2

0

'2

u pρ

+

Perturbación de presión delante del frente de ráfagas

• Lejos corriente arriba, u = -Uf , p' = 0, mientras que justo delante del frente de ráfagas la velocidad se reduce a cero (u=0) – este es el llamado punto de estancamiento. La perturbación de presión en estepunto, pestancamiento,está dada, de acuerdo a la ecuación anterior, por:

pestancamiento= ρ0Uf 2/2

• Puesto que la perturbación de densidad fuera del sumidero frío/delantedel frente de ráfagas es cero, por lo tanto no existe contribuciónhidrostática a la presión. La perturbación de presión pestancamiento espuramente dinámica.

• Es esta aceleración por el gradiente horizontal de presión que causa la desaceleración del flujo entrante y por lo tanto la convergenciahorizontal y el ascenso (dinámico) cerca y por delante del frente de ráfagas.

• Vamos a ver las salidas de un modelo que reproduce las perturbacionesde presión que hemos derivado

Simulación numérica de las corrientes de densidadmostrando las perturbaciones de presión asociadas con la

corriente de densidad

Perturbaciones de presión asociadas con rotores/ torbellinos tipo Kelvin- Helmholtz

Perturbaciones de presión asociadas con rotores/ torbellinos tipo Kelvin- Helmholtz

• Por encima de la cabeza de la corriente de densidad existenusualmente torbellinos rotantes que contienen vorticidad. La mayor parte de esta vorticidad se genera por el gradiente horizontal de empuje a través de la interface frontal.

• Asociado a estos torbellinos coexisten perturbaciones de presióndebidas a otro efecto dinámico– el gradiente de presión es necesariopara equilibrar la fuerza centrífuga. La ecuación es

• Por lo tanto la presión en el centro del rotor es siempre más baja (n se aleja del centro del rotor). Cuanto mayor es la velocidadtangencial y menor es el torbellino, menor es la presión central.

21 s

s

Vpn Rρ

∂=

∂

Perturbaciones de presión en la

región de la cabezay circulación

rotacional asociada

Regeneración de celdas en tormentas multicelulares(trabajos con modelos convectivos 2D)

Fovell and Tan (1998, MWR)Lin et al (1998, 2001, JAS)

Fovell, R. G., and P.-H. Tan, 1998: The Temporal Behavior of Numerically Simulated Multicell-Type Storms. Part II: The Convective Cell Life Cycle and Cell Regeneration. Mon. Wea. Rev., 126, 551-577.

Lin, Y.-L., R. L. Deal, and M. S. Kulie, 1998: Mechanisms of cell regeneration, development, and propagation within a two-dimensional multicell storm. J. Atmos. Sci., 55, 1867-1886.

Lin, Y.-L., and L. Joyce, 2001: A further study of mechanisms of cell regeneration, propagation and development within two-dimensional multicell storms. J. Atmos. Sci., 58, 2957–2988.

Teoría RKW (1988)

Caso sin cortante

Caso sin pp Caso con pp

Caso con cortante

Interacción sumidero frío/ cortante vertical en niveles bajos

Teoría RKW 1988 interacción sumiderofrío-cortante vertical en niveles bajos

• Cuando se discuten las tormentas multicelulares se discute como la interacción entre el sistema frío y la cortante es capaz de modular fuertemente la tendencia a generar nuevas celdas en este tipo de tormentas. En un entorno homogéneo, los sistemas más intensos y de larga vida ocurren en entornos caracterizados por cortantesverticales intensas en niveles bajos.

• Rotunno, Klemp, and Weisman, (1988) propusieron que la condición óptima para la generación de nuevas celdas es cuandoexiste un balance entre la vorticidad horizontal producida por el sumidero frío y la vorticidad opuesta asociada a la cortante vertical del viento en niveles bajos en el flanco cortante abajo del sistema.

• El conocimiento de los procesos que gobiernan la interacciónsumidero frío/cortante es crítica para entender la intensidad, longevidad y la forma en que evolucionan las líneas de inestabilidadde larga vida.

Experimentos numéricos correspondientes al modeloconceptual de Lin et al (1998, 2001) y al de Fovell and Tan

(1998)

Simulación de unatormenta multicelular2D campos de W (contornos), contorno de la nube y grisadoel campo de qr

(Lin and Joyce 2001, JAS)

Modelo conceptual de Lin et al (1998) de regeneración de celdas

Según Lin et al (1998), para que ocurra la regeneración de celdas los procesos siguientesdeben repetirse (ver esquema de Figura siguiente).

• (i) Cerca del borde del frente de ráfagas, se forma una ascendente (GFU) por la convergencia en niveles bajos por delante del frente de ráfagas cerca de superficie.

• (ii) La parte superior de esta ascendente GFU crece alimentándose del flujo entrante de niveles bajos puesto que el frente de ráfagas se propaga más rápido que el aire del entorno, creando convergencia.

• (iii) La celda en desarrollo (C1) produce intensas descendentes compensatorias a ambos lados mientras es advectada hacia atrás respecto del frente de ráfagas. La descendentecompensatoria a la derecha (lado corriente arriba) segrega a la celda respecto de GFU. La celda se intensifica y comienza a precipitar ingresando a la parte posterior del sistema donde el aire se ha modificado. La celda precipitante se separa en niveles bajospor la carga de hidrometeoros. El desarrollo de una nueva celda en la GFU corta la provisión de aire inestable a la celda madura por lo que su ascendente se debilita, precipita toda la lluvia que ha colectado en niveles medios y continúa disipándose en la parte posterior de la tormenta.

• (iv) El proceso se repite conduciendo a una serie de crecimientos y decaimientos, característicos de una tormenta multicelular clásica. El período de regeneración de la celda es inversamente proporcional a la velocidad del viento relativa a la tormenta en niveles medios.

Summary of life cycle

Basado en Lin et al 1998

El perfil vertical de vectores corresponde a (U(z) - Cgf ), flujo del entornorelativo al movimiento del frente de ráfagas Cgf, w1 y w2 responden a ondasde gravedad disparadas por la convección

Formación y mantenimiento de la ascendente en el frente de ráfagas (GFU)

Advección de c1 hacia atrás de la GFU

Separación de la celda en desarrollo (c1) dela GFU por la descendente compensatoriaindicada hacia el E de c1

Generación y coexistencia de celdasen desarrollo (c2 and c3) con celdaspropagantes (c1)

Teoría de regeneración de celdas de Fovell and Tan (1998)

• Fovell and Tan (1998, MWR) también examinaron el problema de regeneración de celdas usando un modelo numérico.

• Notaron que el régimen no-estacionario del forzante en el frente de ráfagases una razón por la que la tormenta es “multicelular”.

• La tormenta multicelular establece nuevas celdas en su costado delantero(corriente arriba), en cercanías de la ascendente forzada formada en el borde frio (la GFU de Lin) , primero se intensifican y luego decaen a medida que viajan hacia atrás dentro del flujo de aire de la tormentadirigido desde el frente hacia atrás que asciende en forma inclinada.

• Demuestran que las celdas son entidades convectivamente activas queinducen circulaciones locales que en forma alternada refuerzan y suprimenla ascendente forzada, modulando el flujo entrante de aire potencialmentecálido.

• Se explica el tiempo de regeneración de celdas involucrando dos fasesseparadas y sucesivas, cada una con su propia escala de tiempo.

Introducción de Fovell and Tan (1998)1. Introducción

The mature squall line often appears as a narrow, quasi-linear band of intense convection trailed by a wider zone of light precipitation. Prominent in its circulation is an ascending “front-to-rear” (FTR) jet (Houze 1993 , 348), largely consisting of air drawn from the low-level environmental inflow, that resides above a subcloud cold-air pool maintained by the evaporation of hydrometeors falling from the jet. The cold pool spreads along the surface, and convergence at its leading edge, or gust front,creates the forced updraft that provides the initial lift required by the potentially warminflowing air parcels to reach their level of free convection (LFC).

……..A cross section normal to the squall line reveals a “multicellular” family of cells, each representing a different stage in the life cycle. As the longevity of the multicellular storm seems largely due to its ability to generate new, replacement cells, the cell life cycle and generation mechanisms involved in new cell establishment are important topics for study.

The cell life cycle has been shown to be sensitive to a wide variety of factors, including (but not limited to) the amount and distribution of vertical wind shear ……It has often been noted that new cells tend to form in or near the gust front’s forced updraft, but not until previously established cells have moved rearward within the FTR airflow. This has sometimes been interpreted as a horizontal advectivetimescale… though this raises the questions of how and why cells become discrete (or “cut off”) from the forced lifting as well as how and when new cells will form.

Simulación usa el mismo sondeotermodinámico que usan en su

trabajo Lin et al (Fovell and Tan 1998)

Campos de Velocidad Vertical w(2 m/s contornos) y de perturbación de temperaturapotencial (sombreado) en un subdominio de 50 km × 10 km en cuatro tiempos durante un ciclode generación de una celda(simulación en 2D).

Contornos punteados para valoresnegativos de W. Para θ , se incluyen contornos (intervalo 2 K) sólo para valores negativos < 2 K en la zona del domo frío cerca de superficie.

Durante esta etapa madura el mov. de la tormenta relativo a superficie fue hacia el este a 15.3 m s 1 y generó nuevas celdas a intervalos de 11-min en un modosimple periódico.

Curva que ilustra la variación temporal de la ascendente forzada en un período de tiempo queincluye los cuatro tiempos(A –D) representados en la Fig. 1 anterior. La intensidad de la ascendente forzada espersistente si bien es no-estacionaria, fluctuando en varios metros por segundodurante el ciclo de vida de la celda.

Variación de la ascendente forzada como unamanifestación de un proceso convectivo de

retroalimentación

• Campo de presión inducido por el empuje (derivado a partir de las ecuaciones de movimiento en u y w):

• Ecuación de la componente horizontal de vorticidad (en el plano x-z), ignorando la fricción,

• Llamamos a esta generación de vorticidad horizontal la generación de vorticidad baroclínica

2 ( ')'bBpz

ρ∂∇ =

∂

horizontalvorticityin ydirection

'

u wz x

d Bdt x

η

η

∂ ∂= − =

∂ ∂∂

= −∂

Esquema que ilustra el efecto de una celda convectiva individual en la circulación de la tormenta

en niveles bajos• Panel (a) muestra el campo del vector

aceleración por el gradiente de presiónpor empuje BPGA asociado con unaparcela finita con empuje positivo.

• Panel (b) muestra el campo del vector aceleración total (incluyendo el empuje) Fb y la circulación asociada a la generación baroclínica de vorticidad.

• Panel (c) presenta un análisis de la circulación en el borde del sumiderofrío subnuboso (región grisada).

• Panel (d) agrega una región con empuje positivo con su circulaciónasociada, ilustrando la formacióninicial de una celda convectiva.

• Panel (e) muestra el efecto de la celdaen un tiempo posterior (Fig.10 de Fovell and Tan 1998).

Influencia de la circulación de la celda transiente en la generación de nuevas celdas

• Al inicio, el aire con empuje positivo generado por el calorlatente dentro de la celda incipiente, se coloca por encima de la ascendente forzada, tal como muestra la Fig. 10d.

• La circulación de la nueva celda refuerza la aceleración de parcelas que se elevan dentro de la ascendente forzadamientras que parcialmente se opone al efecto de la circulacióndel domo frío que tiende a conducirla hacia atrás.

• Como resultado, el ascenso forzado es más intenso y lasparcelas siguen un camino orientado más verticalmente que lo que habrían sido capaces de no darse el calentamiento en la condensación del vapor.

Influencia de la circulación de la celda transienteen la generación de nuevas celdas

• La influencia de la circulación de la celda transiente depende de sufase relativa a la de la ascendente forzada.

• Cuando domina la circulación del sumidero frío, tanto la nueva celdacomo su empuje positivo son advectados hacia atrás.

• Al alejarse de la ascendente forzada, la celda que se estáintensificando, rapidamente comienza a ejercer un efecto inhibidor en el ascenso en niveles bajos, tal como muestra la Fig. 10e.

• En vez de reforzar las aceleraciones verticales positivas en el lugar de ascenso forzado, la nueva celda colabora con la circulación del domo frío en conducir hacia atrás las parcelas que se elevan. Por lo tanto, en este tiempo, el ascenso forzado es más débil que lo que hubiera sido en ausencia de convección.

• Al moverse la celda aún más hacia atrás, se desvanece su influenciasobre la ascendente forzada, permitiendo que esta última se reintensifique al desaparecer la influencia supresora de la celda.

Resumen de las teorías de regeneración de celdas

• Las dos teorías expuestas son más complementarias quecontradictorias. Ambas examinan el movimiento hacia atrás de celdasmás viejas y la separación de una celda respecto de las nuevas.

• Lin et al enfoca la condición ambiental que afecta el movimiento de la celda hacia atrás y posteriormente en la regeneración de nuevas celdas.

• El trabajo de Fovel enfatiza la interacción entre la celda y el domo fríoy el ascenso forzado en el frente de ráfagas. La variación en el ascensoen el frente de ráfagas juega un rol importante en modular la intensidady la generación de nuevas celdas.

• Por lo tanto, mientras el trabajo de Lin et al se centra en el factor externo, Fovell se centra en la dinámica interna para explicar el comportamiento multi-celular, aspectos del problema diferentes y complementarios.

Perturbación de presión de acuerdo al principio de Bernoulli (útilpara entender el comportamiento de un avion en despegue o

aterrizaje en presencia de un microburst (5 páginas)

• El principio de Bernoulli de conservación de energía dice que a lo largo de unalínea de corriente, la presión es menor cuando la velocidad es mayor. Este principio tiene muchas aplicaciones.

• Explica porque los aviones pueden volar porque la forma especial de las alas permite que el aire por encima de ellas tenga una mayor velocidad y por lo tanto menor presión dinámica mientras que la presión debajo del ala es mayor. Esta diferencia de presión genera el ascenso o sustentación (lift) necesariopara mantener el avión en el aire.

• La diferencia de presión es proporcional a la diferencia de los cuadrados de lasvelocidades:

• Por lo tanto, cuanto mayor es la velocidad y mayor la diferencia de velocidades, mayor es el ascenso.

• Cuando existe un fuerte viento de cola actuando sobre un avión debido porejemplo a un microburst, un avión puede perder este ascenso (por la reducciónen el viento de frente relativo al avión) y estrellarse contra el piso!!! Por lo tanto el riesgo del microburst puede ser debido tanto al viento horizontal comoa la descendente.

2 21 2 1 2 1 2( ) ( )( )p u u u u u uρ ρ∆ = − = + −

Las fuerzas del vuelo

• Existen, básicamente, cuatro fuerzas que se generan durante el vuelo: sustentación, resistencia, empuje y peso. La imágen muestra cómo es que estas cuatro fuerzas se relacionan entre sí para lograr que el avión se mantenga en equilibrio mientras vuela.La fuerza de sustentación apunta hacia arriba, en sentido opuesto al peso. El empuje impulsa al avión hacia adelante, pero la fuerza de resistencia se opone al vuelo. La fuerza de sustentación debe ser mayor que el peso y el empuje más poderoso que la fuerza de resistencia, para que el avión pueda comenzar a volar.

Fuerzas actuando sobre un avión en vuelo

• Peso La gravedad es una fuerza natural que hace que los cuerpos, incluyendo los aviones, sean atraídos hacia la tierra.

• Sustentación

La fuerza que empuja a un objeto hacia arriba en dirección opuesta al peso es la sustentación. En el caso de un avión, la elevación es creada por el movimiento del aire alrededor de las alas. El aire que se mueve sobre la ala lo hace con una velocidad distinta al aire que se mueve por debajo de la ala, creando así la sustentación. Hay dos maneras de lograr que esto suceda. Las alas pueden tener una superficie superior curvada y una superficie inferior más plana. Esto hace que el aire que fluye sobre la superficie superior de la ala se mueva más rápidamente, y esto crea sustentación. O también se puede utilizar una ala plana y hacer que vuele con un ángulo de ataque con respecto al viento. Esta ala inclinada hace que el aire se mueva más rápidamente sobre ella, creando sustentación. Según la tercera ley de Newton, para cada acción hay una reacción de igual magnitud, pero en dirección contraria. Por lo tanto, si las alas de un avión empujan el aire hacia abajo, la reacción resultante es un empuje hacia arriba del aire sobre las alas. Los aviones que tienen alas planas (en lugar de alas combadas o curvadas) deben inclinarlas para poder producir sustentación.

Por lo general, cuanto más rápidamente va volando un avión, mayor es la sustentación que se genera. Si la velocidad aumenta al doble, la elevación aumenta cuatro veces.

Empuje• El empuje es generado por los motores del avión. Los motores pueden usarse para

hacer que hélices propulsoras den vuelta a gran velocidad o pueden ser motores de propulsión a chorro, que expulsan gases calientes por la parte posterior. Si el empuje es lo suficientemente grande, logrará superar el peso del avión y la resistencia del aire, y el avión podrá volar.

• Resistencia del aire

La fuerza de resistencia actúa en contra del empuje y retarda el movimiento del avión. Hay cuatro tipos de resistencia:

Fricción - Conforme un avión viaja a través del aire, el aire debe circular alrededor del avión. El aire "roza" contra la superficie del avión. Esto tiende a retardar el movimiento del avión. Resistencia de forma - La forma que tiene un avión hace que haya más o menos fricción. Si el avión tienen una forma "aerodinámica", el aire pasará alrededor de él con menos resistencia. Piensa por ejemplo en un trailer o un autobús. La parte plana de enfrente no es aerodinámica. Esto crea más resistencia y, por lo tanto, hace que se gaste más gasolina. Saca la mano por la ventana de un coche, con la palma hacia adelante; éste es un ejemplo de la forma que tiene la parte de enfrente de un trailer o un autobús. ¡Siente la resistencia del aire! Resistencia inducida - Cuando las alas crean sustentación, también crean resistencia. Resistencia de onda de choque - Cuando un avión viaja cerca a la velocidad del sonido o más rápidamente, el flujo del aire que corre alrededor del avión cambia, generándose una resistencia adicional.