Manual de Conocimientos Aeronáuticos FAA / Parte V / Estabilidad estática y dinámica

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Ejes de una aeronave Los ejes de un avión son tres líneas imaginarias que pasan a través del centro de gravedad de la aeronave. El eje de la nariz hasta la cola es el eje longitudinal. El eje que pasa de una punta a la otra del ala es el eje lateral. El eje que pasa verticalmente a través de la centro de gravedad es el eje vertical. Cada vez que una aeronave cambia de actitud o posición de vuelo, gira alrededor de uno o más de los tres ejes. El movimiento en torno al eje longitudinal del avión es el alabeo. El movimiento alrededor de su eje lateral es el cabeceo. El movimiento sobre su eje vertical es la guiñada. El alabeo es controlado por los alerones. El cabeceo está controlado por los elevadores. La dirección está controlada por el timón de dirección. Momento y brazo del momento La tendencia de un avión a girar alrededor de su centro de gravedad se llama momento. Un momento es el producto de una fuerza aplicada y la distancia a la cual se aplica la fuerza. El brazo es la distancia desde donde se aplica la fuerza a una linea de referencia. Por ejemplo, si la linea de referencia de la cual se miden los brazos es el parafuegos del avión, un peso en el área de carga hará un momento mayor que un peso en el asiento del piloto, siempre y cuando estos pesos sean iguales. Características del diseño de aviones Estabilidad La estabilidad es la cualidad inherente de una aeronave para corregir las condiciones que pueden alterar su equilibrio, y regresar o continuar en la trayectoria de vuelo original. Es principalmente una característica del diseño de aeronaves. Los dos tipos de estabilidad son: estabilidad estática y estabilidad dinámica. Estabilidad estática La estabilidad estática se refiere a la tendencia inicial que un objeto tiene de regresar de vuelta al equilibrio. En la aviación, se refiere a la respuesta inicial de la aeronave cuando se cambia un ángulo de ataque determinado, deslizamiento, o inclinación. La estabilidad estática positiva es la tendencia inicial de la aeronave a regresar al estado original de equilibrio después de ser perturbado. La estabilidad estática neutra es la tendencia inicial de la aeronave a permanecer en una nueva condición después de haber sido perturbado su equilibrio. La estabilidad estática negativa es la tendencia inicial de la aeronave para continuar alejándose del estado original de equilibrio después de ser perturbado. Estabilidad Dinámica La estabilidad dinámica se refiere a la respuesta del avión en el tiempo cuando se les perturba de un ángulo de ataque dado, deslizamiento, o inclinación. Este tipo de estabilidad también tiene tres subtipos. La estabilidad dinámica positiva, es cuando el movimiento de los objetos desplazados disminuye en amplitud y el objeto desplazado vuelve hacia el estado de equilibrio. La estabilidad dinámica neutral, es cuando el objeto desplazado ni disminuye ni aumenta en amplitud. La estabilidad dinámica negativa, es cuando el movimiento de los objetos desplazados aumenta y se vuelve más divergente. Estabilidad longitudinal (cabeceo) La estabilidad longitudinal es la cualidad que hace que un avión sea estable alrededor de su eje lateral. Involucra el movimiento de cabeceo cuando la nariz del avión se mueve hacia arriba y hacia abajo durante el vuelo. Un avión longitudinalmente inestable tiene una tendencia a descender o ascender progresivamente en un descenso o ascenso muy pronunciado, o incluso entrar en pérdida. La estabilidad o inestabilidad estática longitudinal en un avión depende de tres factores: La ubicación del ala con respecto al centro de gravedad. La ubicación de las superficies horizontales de cola con respecto al centro de gravedad. El área o tamaño de las superficies de cola. Para obtener estabilidad estática longitudinal, la relación de los momentos del ala y la cola, si están inicialmente equilibrados y el avión de repente sube la nariz, estos momentos cambian, de modo que la suma de sus fuerzas proporciona un momento que baja la nariz. Del mismo modo, si la aeronave esta nariz hacia abajo, el cambio resultante en los momentos trae la nariz hacia arriba. El centro de sustentación tiende a adelantarse con un aumento del ángulo de ataque y se mueve hacia atrás con una disminución del mismo. Esto significa que cuando el ángulo de ataque de un perfil aerodinámico se incrementa, el centro de sustentación, por adelantarse, tiende a levantar el borde de ataque del ala aún más. Esta tendencia le da al ala una cualidad inherente de inestabilidad. La mayoría de los aviones están diseñados para que el centro de sustentación del ala esté por detrás del centro de gravedad. Esto hace a la aeronave pesada de nariz y requiere que haya una ligera fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal a fin de equilibrar la aeronave y evitar que la nariz esté continuamente hacia abajo. La compensación para esto es proporcionada mediante el ajuste del estabilizador horizontal en un ángulo de ataque ligeramente negativo.

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La fuerza hacia abajo así producida mantiene la cola abajo, contrarrestando la nariz pesada. Es como si el eje longitudinal fuera una barra con una fuerza hacia arriba en el centro de sustentación, y otra fuerza hacia abajo en el centro de gravedad y la otra en el punto T. Si la barra se suspendiera en centro de sustentación, con un gran peso en el centro de gravedad, se necesitaría una presión descendente en el punto T para mantener la barra en equilibrio. A pesar de que el estabilizador horizontal puede estar nivelado cuando el avión está en vuelo nivelado, hay una corriente de aire descendente de las alas. Esta corriente descendente golpea la parte superior del estabilizador y produce una presión descendente, que a una cierta velocidad es suficiente para equilibrar el avión. Cuando más rápido está volando el avión, mayor es esta corriente descendente y mayor será la fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal. Si la velocidad del avión disminuye, la velocidad del flujo de aire sobre el ala se reduce. Como resultado de esta disminución del flujo de aire sobre el ala, el flujo hacia atrás se reduce, causando una fuerza hacia abajo menor sobre el estabilizador horizontal. Esto causa que la nariz baje aún más. Esto coloca el avión en una actitud de nariz baja, disminuyendo el ángulo de ataque del ala y la resistencia. Esto permite que la velocidad aumente. A medida que el avión continúa en la actitud de nariz abajo y su velocidad aumenta, la fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal, se incrementa una vez más. En consecuencia, la cola es empujada de nuevo hacia abajo y la nariz sube a una actitud de ascenso. A medida que este ascenso continúa, la velocidad disminuye de nuevo, haciendo que la fuerza hacia abajo en la cola decrezca hasta que la nariz baja una vez más. Debido a que el avión es dinámicamente estable, esta vez la nariz no baja en la medida que lo hacía antes. El avión adquiere suficiente velocidad para empezar otro ascenso, pero no tan pronunciado como el anterior. Después de varias de estas oscilaciones decrecientes, en las que la nariz alternativamente sube y baja, el avión finalmente se estabiliza a una velocidad a la que la fuerza hacia abajo en la cola contrarresta exactamente la tendencia de la aeronave para bajar. Cuando esta condición se alcanza, la aeronave está en vuelo equilibrado una vez más y continúa en vuelo estabilizado siempre y cuando esta actitud y la velocidad no cambien. Un efecto similar se observa al reducir el acelerador. La corriente de las alas se reduce y la fuerza hacia abajo en el estabilizador horizontal no es suficiente. Parece como si la fuerza en el estabilizador horizontal, permitiera que la fuerza de gravedad tire de la nariz hacia abajo. Esta es una característica deseable porque el avión está de por sí tratando de recuperar la velocidad y restablecer el equilibrio adecuado. La potencia o el empuje también pueden tener un efecto desestabilizador en el que un aumento de potencia tiende a hacer subir la nariz. La siguiente es una simple demostración de estabilidad longitudinal. Compense la aeronave para vuelo nivelado. Entonces, de al control de un ligero empujón produciendo un movimiento de nariz abajo. Si, en un plazo breve, la nariz se eleva a la posición original y luego se detiene, el avión es estáticamente estable. Por lo general, la nariz pasa la posición original y sigue una serie de oscilaciones lentas. Si las oscilaciones cesan gradualmente, el avión tiene una estabilidad positiva; si continúan de forma desigual, el avión tiene una estabilidad neutral; si aumentan, el avión es inestable. Estabilidad lateral La estabilidad lateral ayuda a estabilizar el efecto lateral o alabeo cuando una de las alas baja más que la otra. Hay cuatro factores principales de diseño que hacen un avión lateralmente estable: El Diedro. La flecha. La quilla, y la distribución del peso. Diedro Las alas a ambos lados de la aeronave se unen al fuselaje para formar una ligera V o un ángulo llamado diedro. La cantidad de diedro se mide por el ángulo formado por cada ala por encima de una línea paralela al eje lateral. Si una ráfaga de viento momentánea fuerza a una de las alas a subir y la otra a bajar, el avión alabea. Cuando el avión alabea, se produce una tendencia al deslizamiento lateral hacia el ala baja. Como las alas tienen diedro, el aire golpea el ala inferior en un ángulo de ataque mucho mayor que el ala superior. El aumento del ángulo de ataque en el ala inferior crea más sustentación que el ala superior. El aumento de la sustentación causa que el ala más baja comience a subir. Al acercarse el ala a la posición de nivel, el ángulo de ataque en las dos alas son iguales una vez más, con lo que la tendencia a alabear disminuye. El efecto del diedro es producir una tendencia de alabeo para retornar la aeronave a una condición de vuelo de equilibrio lateral cuando se produce un deslizamiento. La fuerza de recuperación puede mover el ala baja muy arriba, de modo que el ala opuesta ahora va hacia abajo. Si es así, se repite el proceso, disminuyendo con cada oscilación lateral hasta que finalmente se alcanza un equilibrio para el vuelo con alas niveladas. Flecha alar Un ala en flecha es aquella en la que el borde de ataque se inclina hacia atrás. Cuando una perturbación provoca a un avión con flecha a caer un ala, el ala baja presenta su borde de ataque en un ángulo que es perpendicular al flujo de aire relativo. Como resultado, el ala baja adquiere una mayor sustentación, sube, y el avión vuelve a su actitud de vuelo original. La flecha también contribuye a la estabilidad direccional. Cuando la turbulencia o la aplicación de timón hace que el avión gire hacia un lado. El ala derecha presenta un borde de ataque más perpendicular al viento relativo. La velocidad del ala derecha aumenta y adquiere más resistencia que la otra ala. La resistencia adicional en el ala derecha tira hacia atrás, girando el avión de vuelta a su rumbo original. Efecto del fuselaje y Distribución del peso Cuando el avión se ve perturbado y un ala cae, el peso del fuselaje actúa como un péndulo retornando al avión a su actitud original. Las aeronaves lateralmente estables son construidas de manera que la mayor parte de la zona del fuselaje está por encima y detrás del centro de gravedad. Por lo tanto, cuando el avión se desliza hacia un lado, la combinación del peso de la aeronave y la presión del flujo de aire contra la parte superior del fuselaje, tiende a volver el avión al vuelo nivelado. Estabilidad vertical La estabilidad en torno al eje vertical se llama estabilidad direccional. La estabilidad direccional es la estabilidad que se logra más fácilmente en el diseño de aeronaves. Si un avión vuela en línea recta, y una ráfaga de aire lateral le da a la aeronave una ligera rotación sobre su eje vertical, el aire golpea el lado izquierdo del estabilizador vertical. Esto provoca una presión en el lado izquierdo, que se opone al movimiento de giro y reduce la velocidad de giro del avión. De este modo, gira el avión hacia el viento relativo.