ESTABILIDAD AERODINMICA

La estabilidad es la propiedad de un cuerpo de regresar por sus propios medios a su condicin de equilibrio, despus de haber sido alterado de dicha condicin.Un cuerpo est en equilibrio cuando todas las fuerzas y momentos que actan sobre de l se neutralizan unas a otras. Es decir estar en equilibrio, cuando la suma total de las fuerzas sean cero y la suma de los momentos de las fuerzas con respecto a un centro sea cero.

ESTABILIDAD AERODINMICAPor estabilidad se entiende la respuesta de un sistema cuando se le mueve de una posicin de equilibrio. En nuestro caso, la estabilidad que nos interesa es la capacidad del avin para recobrar una posicin de equilibrio despus de sufrir una perturbacin que la haya modificado (turbulencia, rfaga de viento, etc.). La estabilidad se clasifica en tres tipos: positiva, neutra y negativa.

ESTABILIDAD AERODINMICA

ESTABILIDAD AERODINMICAEstos ejemplos nos muestran adems, que la cantidad de fuerza a aplicar para sacar a un objeto de su posicin de equilibrio, mantener el equilibrio en otra posicin diferente, o recuperar la posicin de equilibrio inicial, es muy diferente segn el tipo de estabilidad. Volviendo al ejemplo de las ruedas de bicicleta, para sacarlas de su posicin de equilibrio habr que ejercer cierta fuerza en la rueda de la izquierda, menos fuerza en la rueda del medio, y menos todava en la rueda de la derecha. Para retornarlas a su posicin anterior, habr que ejercer muy poca fuerza en la rueda de la izquierda (pues tratar de volver ella sola), algo ms en la rueda del medio, y bastante ms en la de la derecha.

ESTABILIDAD POSITIVAsignifica que si un sistema es desplazado de su posicin de equilibrio, genera fuerzas tendientes a volver a la posicin inicial. Tomemos la rueda de la izquierda en la figura 1.6.2 la cual tiene un contrapeso abajo. Si aplicamos una fuerza que la haga girar en uno u otro sentido esta rueda tratar de volver a su posicin inicial.

ESTABILIDAD NEUTRAse da cuando un sistema desplazado de su posicin de equilibrio no genera ninguna fuerza y permanece equilibrado en esta nueva posicin. Si giramos hacia uno u otro lado la rueda del centro de la figura, esta rueda se quedar en equilibrio en la nueva posicin en que la dejemos.

ESTABILIDAD NEGATIVAes cuando un sistema desplazado de su posicin de equilibrio genera fuerzas que tienden a desplazarlo an ms. Si movemos algo la rueda de la derecha de la figura, que tiene un contrapeso arriba, esta se ir desplazando cada vez ms de la posicin de equilibrio inicial.

ESTABILIDAD AERODINMICASegn la 1 Ley del Movimiento de Newton, un cuerpo en reposo tiende a estar en reposo, y un cuerpo en movimiento tiende a permanecer en movimiento en lnea recta salvo que se le aplique una fuerza externa. Un cuerpo que no est acelerando ni decelerando se dice que est en equilibrio: un avin aparcado est en equilibrio; en vuelo recto y nivelado a velocidad constante est en equilibrio; en ascenso o descenso recto a velocidad constante tambin est en equilibrio. Ahora bien, en un giro a velocidad y altura constante no est en equilibrio puesto que el avin est acelerando hacia el centro del giro.

EQUILIBRIOLa palabra equilibrio (equilibrium) es muy antigua, y tiene la misma raz que el nombre de la constelacin Libra (representada en el zodiaco por una balanza), que debe su nombre a la circunstancia de que en los equinoccios la duracin del da y de la noche es la misma, y que en tiempos de Hiparco el equinoccio de otoo se presentaba cuando el sol se proyectaba en esa constelacin (hoy se proyecta en Virgo).

EQUILIBRIOExisten tres clases de equilibrio

EQUILIBRIO ESTABLE

Cuando al apartar a un cuerpo de su posicin de equilibrio se originan fuerzas y momentos que lo regresan a su posicin original. El equilibrio estable es la ESTABILIDAD.

EQUILIBRIO INESTABLE

Cuando al apartar a un cuerpo de su posicin de equilibrio se originan fuerzas momentos que lo separan an ms de su posicin original.

EQUILIBRIO INDIFERENTECuando al apartar al cuerpo de su posicin de equilibrio no se producen fuerzas momentos que lo regresen lo alejen de su posicin original, sino que se queda en la posicin a la que se movi.

ESTABILIDADDe acuerdo con lo explicado, un avin ser ESTABLE si separado de su posicin de equilibrio tiende a recuperarla; NEUTRO si separado de su posicin de equilibrio permanece en esa nueva posicin sin alejarse ms ni volver a la posicin inicial, e INESTABLE si separado de su posicin de equilibrio tiende a alejarse de ella cada vez ms. Parece obvio que un aeroplano debera tener estabilidad positiva, quiz neutra, pero en ningn caso negativa.

ESTABILIDADLa estabilidad se puede lograr de dos maneras, dependiendo de la forma de regresar a su estado de equilibrio.A estas dos formas se les llama; estabilidad esttica y estabilidad dinmica

ESTABILIDAD ESTTICA

Un avin es estticamente estable, si en cualquier desplazamiento de su posicin de equilibrio, manteniendo fijos los controles, se producen fuerzas momentos que tienden a llevarlo a su posicin original en un solo movimiento.

ESTABILIDAD DINAMICA Un avin es dinmicamente estable, cuando al apartarse de su posicin de equilibrio por alguna causa cualquiera, sin mover sus mandos, aparecen fuerzas momentos que lo regresan a la posicin original. Por lo anterior, un avin dinmicamente estable tambin es estticamente estable. Pero si esas fuerzas o momentos en el sentido de hacer regresar a la posicin original, oscilan de forma cada vez mayor, el avin es estticamente estable pero dinmicamente inestable. Si las oscilaciones son de la misma magnitud y no se amortiguan, ser dinmicamente indiferente (o neutro).

ESTABILIDAD DINAMICAUn avin excesivamente estable resultar poco maniobrable, oponindose a cambiar la direccin del vuelo, es decir tendr mayor resistencia a la accin de los mandos y por el contrario, para que un avin sea maniobrable necesita ser poco estable, o incluso inestable.Por ejemplo un avin acrobtico un avin caza necesitan ser estticamente indiferentes o ligeramente inestables, para que no tengan oposicin a la accin de los mandos.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL

Es la que presenta el avin alrededor de su eje Lateral.Un avin tiene estabilidad longitudinal, cuando despus de ser apartado de su trayectoria horizontal, se origina un momento de cabeceo que tiende a volverlo a su ruta original, girando alrededor de su eje Lateral. El principal factor que afecta esta estabilidad es la posicin del centro de gravedad.Una ala aislada, generalmente no es estable, por lo que un avin se coloca otra pequea ala detrs de la principal llamada estabilizador horizontal, plano fijo horizontal.

ESTABILIDAD DIRECCIONALEs la que presenta el avin alrededor de su eje vertical.Un avin tiene estabilidad direccional, cuando despus de ser apartado de su trayectoria, se origina un momento que tiende a volverlo a su posicin original, girando al rededor de su eje vertical (movimiento de guiada).Para proporcionar estabilidad direccional, se han dispuesto en el avin el estabilizador vertical plano fijo vertical y las alas con cierto flechado (la flecha contribuye positivamente a la estabilidad direccional pero no es usa por ellocomo principal motivo).

ESTABILIDAD LATERALEs la que presenta el avin alrededor de su eje longitudinal oponindose a un movimiento de alabeo.Un avin tiene estabilidad lateral, cuando despus de ser apartado de su posicin original, se origina un momento que tiende a volverlo a esa posicin hacindolo girar alrededor de su eje longitudinal. Para proporcionar estabilidad lateral existe el ngulo diedro. Un diedro positivo puede proporcionar un alabeo restaurador si tambin hay un movimiento de guiada o derrape lateral.. Precisamente todos los aviones son lateralmente inestables, y si no se acta contra ello con el mando del piloto, humano o automtico, van girandocada vez ms en una "espiral divergente".

AMORTIGUAMIENTO VERTICALEl propsito de este tema es examinar como responde el avin a los movimientos exclusivamente verticales, y explicar como (salvo en situacin cercana a la prdida) resiste eficazmente estos movimientos.Normalmente un aeroplano est en equilibrio, todas sus fuerzas estn en balance, pero para conocer como el avin mantiene este equilibrio

AMORTIGUAMIENTO VERTICAL

AMORTIGUAMIENTO VERTICALInicialmente el avin est volando recto y nivelado, las fuerzas verticales estn en equilibrio. Pero en un momento dado hay un cambio sbito en este equilibrio, por ejemplo se corta el viento que tenamos de frente y la prdida de velocidad provoca que la sustentacin sea menor que el peso. Esto debera provocar que el avin entrase en una trayectoria descendente, y puesto que estas fuerzas seguiran desequilibradas, cada vez ms rpidamente

AMORTIGUAMIENTO VERTICALSin embargo no es esto lo que ocurre, pues tan pronto como las alas inciden hacia abajo con una velocidad apreciable el ngulo de ataque es diferente. Sabemos que el ngulo de ataque es el formado por la cuerda del ala y el viento relativo; no hemos cambiado nuestra actitud y la cuerda del ala sigue la misma lnea, pero el viento relativo ha cambiado de direccin, viene de adelante y abajo.

AMORTIGUAMIENTO VERTICALEsto supone que tenemos mayor ngulo de ataque luego mayor sustentacin, y este extra equilibrar de nuevo las fuerzas verticales. Pero un mayor ngulo de ataque tambin implica una mayor resistencia, la cual equilibra la tendencia a acelerar. El resultado sera una trayectoria descendente no acelerada.

AMORTIGUAMIENTO VERTICALEl fuerte amortiguamiento vertical es la razn por la cual se asume siempre que la sustentacin es igual al peso. Si las fuerzas estuvieran desequilibradas el avin debera acelerar hacia arriba o abajo hasta que un nuevo ngulo de ataque las equilibrara, pero en la prctica el balance se realiza tan rpidamente que la diferencia entre el peso y la sustentacin no es apreciable.

AMORTIGUAMIENTO VERTICALNo obstante, esta capacidad de amortiguamiento no debera ser tomada por el piloto como una garanta, pues tal como muestra la grfica pudiera suceder que el nuevo ngulo de ataque exceda el ngulo de ataque crtico y nos haga entrar en prdida. En este caso no solo no se incrementa la sustentacin sino que disminuye con la prdida, por lo que las fuerzas se desequilibran ms todava y el avin entra en un descenso acelerado.

AMORTIGUAMIENTO VERTICAL

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.Antes hemos visto como el avin responde al desequilibrio de las fuerzas puramente verticales. Ahora consideraremos como responde al desequilibrio de fuerzas que causa el giro sobre el eje de alabeo. Como en el caso anterior, inicialmente estamos en vuelo recto y nivelado y con las fuerzas equilibradas.

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.Pero supongamos que toda la carga que llevamos se mueve repentinamente al mismo lado del avin, provocando un sbito desequilibrio del peso a soportar por cada ala. Aunque el morro del avin se mueve hacia delante en la misma trayectoria, el ala con menor peso se mueve adelante y arriba disminuyendo su ngulo de ataque, mientras que el ala con mayor peso se mueve adelante y abajo aumentando su ngulo de ataque.

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.El ala con ngulo de ataque disminuido aminora su sustentacin, en tanto el ala con el ngulo de ataque incrementado aumenta su sustentacin; de esta manera cada ala equilibra el diferente peso que soporta con diferente cantidad de sustentacin.

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.Como en el caso del amortiguamiento vertical, puede suceder que el ala que aumenta su ngulo de ataque exceda el ngulo de ataque crtico y entre en prdida, con lo cual no solo no aumenta su sustentacin sino que la disminuye cada vez ms. Las fuerzas aerodinmicas no se oponen al movimiento sino que lo amplifican. Esta situacin es mucho ms peligrosa que la anterior, y es precisamente la forma en que se entra en una barrena, un ala que sobrepasa el ngulo de ataque crtico y otra que no.

AMORTIGUAMIENTO DEL ALABEO.Este amortiguamiento es crucial para el vuelo, por lo que los diseadores lo enfatizan en sus modelos. Para ello disean las alas con un ngulo de incidencia decreciente hacia la punta (torsin), o dando distinta curvatura a cada perfil del ala, o ambas cosas. De esta forma, todas las secciones del ala contribuyen por igual a la sustentacin y al amortiguamiento vertical, pero la seccin de ala ms cercana al fuselaje contribuye menos al amortiguamiento al alabeo que la seccin del extremo del ala. As, cuando el ala entera alcance su mximo coeficiente de sustentacin, la raz estar en prdida pero los extremos no, aportando una cantidad considerable de amortiguacin al alabeo.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.La estabilidad longitudinal, se refiere al movimiento del avin sobre su eje transversal (nariz arriba/abajo) y es la ms importante porque determina en gran medida las caractersticas de cabeceo del mismo, particularmente las relativas a la prdida. Lo confuso de esta definicin se debe a la denominacin de los ejes del avin.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.De todas las caractersticas que afectan al balance y controlabilidad del avin, la de mayor importancia es la estabilidad longitudinal. Es bastante inseguro y poco confortable que un avin muestre tendencia a encabritarse o picar, cuando nuestra atencin se encuentra ocupada en otra cosa.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Aunque es difcil obtener un grado exacto de estabilidad longitudinal para todas las condiciones de vuelo, es esencial conseguir un compromiso aceptable para que el vuelo sea seguro y confortable. La estabilidad longitudinal del avin esta resuelta primariamente por el estabilizador horizontal de cola

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Puesto a propsito en la parte ms alejada de las alas, este estabilizador aerodinmico genera las fuerzas necesarias para contrarrestar el efecto de fuerzas externas. Al ser la parte ms alejada del centro de gravedad cualquier fuerza, por pequea que sea, ejercida sobre este dispositivo tendr un gran efecto de correccin (mayor par de fuerza).

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.tenemos una balanza? con los brazos desiguales; en la parte izquierda est en equilibrio (600=600) mientras que a la derecha observamos el distinto par de fuerza ejercido si le aadimos 1 kg. a cada platillo (660>630).

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Si una rfaga de viento nos levanta la nariz del avin, es porque viene por debajo de nuestra trayectoria de vuelo y afectar tanto a las alas como a la cola del avin. Este cambio del viento relativo supone un incremento del ngulo de ataque (ms sustentacin), ms acusado en la cola debido a su mayor distancia al centro de gravedad (como en la balanza? de brazos desiguales), la cual se levantar volviendo a poner la nariz con la actitud anterior y disminuyendo el ngulo de ataque de las alas.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Si la racha viene por arriba habr menos ngulo de ataque, y el dficit de sustentacin ms acusado en la cola har que esta baje volviendo a poner el avin en equilibrio

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Decalaje. Para mejorar las caractersticas de prdida, normalmente los aviones se disean de manera que el estabilizador horizontal de cola tiene menor ngulo de incidencia que las alas. Esta diferencia de ngulos de incidencia entre superficies aerodinmicas recibe el nombre de decalaje. Veamos con un ejemplo el desarrollo de la estabilidad longitudinal explicado, incluyendo esta caracterstica de diseo.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Consideremos un avin con decalaje =2. Supongamos pues, que estamos volando con un ngulo de ataque de 3 en las alas y 1 en el estabilizador y nos alcanza una rfaga que viene 1 por debajo de nuestra trayectoria Esto supone, que aunque nuestra actitud de vuelo no ha cambiado, las alas tienen ahora 4 de ngulo de ataque y el estabilizador horizontal 2, que se traduce en un incremento de la sustentacin en las alas del 50% y del 100% en el estabilizador horizontal, caso similar al efecto de agregar 1 kg. en cada platillo de la balanza del ejemplo anterior.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.El mayor incremento de sustentacin en la cola junto con el mayor par de fuerza, har que esta se eleve y baje la nariz del avin, recobrndose una posicin de equilibrio. Los nmeros de la figura representan superficies (3 y 6), distancias al centro de gravedad (12 y 2) y ngulos de ataque (1, 2, 3 y 4).

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Si el C.G. y el C.A. estn en el mismo plano, el avin tiene estabilidad neutra pues ambas fuerzas tienen el mismo punto de aplicacin; si el C.G. esta adelantado con respecto al C.A. el avin es estable y tender a picar (nariz abajo), y por ltimo si el C.G. esta retrasado con respecto del C.A. el avin es inestable y tiende a encabritarse (nariz arriba).

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.La mayora de los aviones tienen el Centro de Gravedad adelantado con respecto al Centro Aerodinmico. El Centro de Gravedad de cada avin viene tabulado por el fabricante, lo mismo que sus lmites de desplazamiento, la carga mxima permitida, etc. y es imperativo, para un ptimo control y estabilidad del aeroplano, que el Centro de Gravedad se mantenga dentro de los lmites permitidos por su diseador, pues lo contrario puede provocarnos serios problemas en el control y estabilidad del avin.

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.A la vista de este funcionamiento, es fcil comprender que la situacin del centro de gravedad del avin con respecto al centro aerodinmico es lo que ejerce mayor influencia sobre su estabilidad longitudinal, aunque tambin influyen los cambios de velocidad, potencia, actitud, etc...

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Se malinterpreta la estabilidad longitudinal al pensar en un avin estable con respecto al horizonte, lo cual es adems una cualidad poco deseable; un avin debe ser longitudinalmente estable a distintos ngulos de ataque

ESTABILIDAD LONGITUDINAL.Vale la pena mencionar, aunque sea brevemente, lo siguiente: tanto el flujo de aire que desplaza la hlice, como el que fluye hacia abajo por el borde de salida del ala inciden sobre la cola del avin afectando a la estabilidad longitudinal. Al extender flaps, el flujo del borde de salida se hace ms pronunciado, e incide sobre el estabilizador horizontal de forma distinta segn la situacin de los planos del avin. Si el avin es de plano bajo, este flujo incidir sobre la parte inferior del estabilizador haciendo que la cola suba y la nariz baje; si el avin es de plano alto incidir sobre la parte superior del estabilizador, bajando la cola y haciendo subir la nariz.

ESTABILIDAD LATERAL.

La estabilidad lateral se refiere a la mostrada por el avin sobre su eje longitudinal. Un avin que tiende a volver a su posicin de alas niveladas despus de que una rfaga de viento levante o baje una de ellas se dice que es lateralmente estable. Nuevamente, sera menos confuso de entender si se habla de estabilidad sobre el eje de alabeo.

ESTABILIDAD LATERAL.La estabilidad lateral del avin viene proporcionada bsicamente por el diseo en ngulo diedro de las alas, por el cual los extremos de las alas estn en un plano ms alto que la parte anclada al fuselaje. El efecto estabilizador de este diseo, ocurre cuando un ala es bajada sbitamente por una rfaga de aire y debido a ello el avin se desliza sobre esa ala.

ESTABILIDAD LATERAL.

ESTABILIDAD LATERAL.Este deslizamiento produce un aumento del ngulo de ataque del ala bajada con respecto del ala que est ms alta; este incremento produce sustentacin adicional en el ala bajada haciendo que esta suba y recupere el equilibrio.

ESTABILIDAD DIRECCIONAL. La estabilidad direccional concierne al movimiento del avin sobre el eje vertical. Si el eje longitudinal del aeroplano tiende a seguir la trayectoria de vuelo, bien en vuelo recto o en giros, se dice que es direccionalmente estable. ms claro de comprender si hablamos de estabilidad sobre el eje de guiada.

ESTABILIDAD DIRECCIONAL.El elemento que proporciona estabilidad direccional al avin es el estabilizador vertical de cola, que tiene el mismo funcionamiento aerodinmico que los dems estabilizadores. Si una racha de viento alcanza al avin por un costado, el mayor par de fuerza ejercido por el estabilizador vertical har que la cola trate de orientarse hacia la rfaga, moviendo la nariz al lado contrario y recuperando de esta forma la trayectoria.

ESTABILIDAD DIRECCIONAL.

CONCLUSIONESEquilibrio es el estado de un cuerpo o sistema cuando la resultante de las fuerzas que actan sobre l es nula. Estabilidad es la respuesta de un sistema cuando se le mueve de una posicin de equilibrio. En un sistema multidimensional debemos considerar la estabilidad para cada uno de sus ejes por separado. Hay dos tipos de estabilidad: estabilidad esttica, denominada habitualmente estabilidad sin ms, y estabilidad dinmica o amortiguamiento.

CONCLUSIONESLa estabilidad puede ser positiva, negativa o neutra. Cuando un sistema tiene estabilidad esttica positiva pero no suficiente estabilidad dinmica (amortiguacin) surgen las oscilaciones. La estabilidad en un avin se refiere a cada uno de los tres ejes del mismo: longitudinal, lateral y vertical. Un avin tiene una gran capacidad de amortiguamiento vertical.

CONCLUSIONESEl amortiguamiento al alabeo es crucial para el vuelo, y su desarrollo se consigue dndole "torsin" a las alas. En este diseo el ngulo de incidencia va decreciendo de la raz del ala hacia el extremo. Los estabilizadores funcionan bajo los mismos principios aerodinmicos que las alas. La estabilidad longitudinal del avin esta resuelta primariamente por el estabilizador horizontal de cola. Recibe el nombre de decalaje la diferencia de ngulos de incidencia entre superficies aerodinmicas.

CONCLUSIONESLa situacin del centro de gravedad del avin con respecto al centro aerodinmico tiene una gran influencia sobre la estabilidad longitudinal. Un avin debe ser estable longitudinalmente a distintos ngulos de ataque, no respecto al horizonte. El diseo en ngulo diedro de las alas es el que bsicamente proporciona estabilidad lateral al avin. El elemento que proporciona estabilidad direccional al avin es el estabilizador vertical de cola.

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