Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-2

Estabilidad lateral (Alabeo)
La estabilidad en torno al eje longitudinal del avión, que se extiende desde la nariz de la aeronave a su cola, se llama estabilidad lateral. Esto ayuda a estabilizar el efecto lateral o «alabeo» cuando una de las alas baja más que el ala en el lado opuesto de la aeronave. Hay cuatro factores principales de diseño que hacen un avión lateralmente estable: diedro, flecha, el efecto veleta, y la distribución del peso.
Diedro
El procedimiento más común para la producción de estabilidad lateral es construir las alas con un ángulo de uno a tres grados por sobre el eje longitudinal.

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.

El diedro implica un equilibrio de sustentación creado por el AOA las alas a cada lado del eje longitudinal del avión. 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 sin girar, se produce una tendencia al deslizamiento lateral hacia el ala baja.

Como las alas tienen diedro, el aire golpea el ala inferior en un AOA mucho mayor que el ala superior. El aumento de AOA en el ala inferior crea más sustentación que el ala superior. El aumento de la sustentación causa que el ala más baja para comience a subir. Al acercarse el ala a la posición de nivel, el AOA 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.

Por el contrario, excesivo diedro tiene un efecto adverso sobre las cualidades de maniobra lateral. La aeronave puede ser tan estable lateralmente que se resiste a un movimiento de alabeo intencional. Por esta razón, los aviones que requieren características de rápido rolido o alabeo por lo general tienen menos diedro que los diseñados con menos maniobrabilidad.

Flecha alar
La flecha es una adición al diedro que aumenta la sustentación creada cuando un ala cae de la posición horizontal. Un ala en flecha es aquella en la que el borde de ataque se inclina hacia atrás.

Cuando una perturbación provoca un avión con flecha a deslizar o 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 largo
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 Un avión siempre tiene la tendencia a girar el eje
longitudinal de la aeronave hacia el viento relativo. Este efecto «veleta» es similar a la quilla de un buque y ejerce una influencia estabilizadora en el avión lateralmente sobre el eje longitudinal.

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 CG.

Por lo tanto, cuando el avión desliza hacia un lado, la combinación del peso de la aeronave y la presión del flujo de aire contra la parte superior del fuselaje (ambos actuando sobre el CG) tiende a volver el avión a vuelo nivelado.

Estabilidad vertical (dirección o giro)
La estabilidad en torno al eje vertical (el momento lateral) se llama dirección o estabilidad direccional. La estabilidad direccional es la estabilidad que se logra más fácilmente en el diseño de aeronaves. El área de la deriva y los lados del fuselaje detrás del CG son los primeros en contribuir para hacer actuar a los aviones como una veleta o una flecha, apuntando su nariz hacia
el viento relativo.

Examinando una veleta, se puede ver que si la misma cantidad exacta de superficie fuera expuesta al viento por delante del punto de pivote como detrás de él, las fuerzas por delante y detrás estarían en equilibrio y resultaría en poco o nada de movimiento direccional.

En consecuencia, es necesario contar con una superficie mayor por detrás del punto de giro que delante del mismo.

Del mismo modo, el diseñador debe garantizar estabilidad direccional positiva haciendo la superficie lateral detrás del CG mayor que la anterior.

Para ofrecer mayor estabilidad positiva a la proporcionada por el fuselaje, se añade una aleta
vertical. La aleta actúa en forma similar a las plumas de una flecha fin manteniendo el vuelo recto. Al igual que una veleta y una flecha, cuanto más atrás está la aleta y más grande es su tamaño, mayor es la estabilidad direccional de la aeronave.

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 (por ejemplo, a la derecha), el movimiento se retarda y se detiene por la aleta ya que mientras el avión está girando a la derecha, el aire golpea el lado izquierdo de la aleta en un ángulo. Esto provoca una presión en el lado izquierdo de la aleta, que se opone al
movimiento de giro y reduce la velocidad de giro del avión. De este modo, actúa un poco como la veleta girando el avión hacia el viento relativo. El cambio inicial en la dirección de la trayectoria de vuelo del avión está generalmente un poco por detrás de su cambio de rumbo. Por lo tanto, después de un ligero giro de la aeronave a la derecha, hay un breve momento cuando la aeronave está en movimiento a lo largo de su trayectoria original, pero su eje longitudinal está apuntando ligeramente hacia la derecha.

El avión está momentáneamente derrapando hacia los lados, y durante ese momento (ya que se supone que, si bien el movimiento de giro se ha detenido, el exceso de presión en el lado izquierdo de la aleta aún persiste) hay necesariamente una tendencia a que la aeronave se gire parcialmente de vuelta a la izquierda. Es decir, hay una tendencia de restauración momentánea causada por la
aleta.

Esta tendencia de restauración se desarrolla lentamente y cesa cuando la aeronave deje de derrapar. Cuando cesa, la aeronave está volando en una dirección ligeramente diferente de la dirección original. En otras palabras, no va a volver por si misma al rumbo original; el piloto debe volver a establecer el rumbo inicial.

Una pequeña mejora de la estabilidad direccional se puede obtener a través de la flecha. La flecha se incorpora en el diseño del ala primeramente para retrasar la aparición de la compresión a alta velocidad de vuelo. En los aviones más livianos y lentos, la flecha ayuda en la localización del centro de presión en la relación correcta con el CG. Un avión estable longitudinalmente se construye con el centro de presión detrás del CG.

Debido a razones estructurales, los diseñadores de aviones a veces no pueden unir las alas con el fuselaje en el punto exacto que desean. Si tienen que montar las alas demasiado hacia delante, y en ángulo recto con el fuselaje, el centro de presión no estaría lo suficientemente atrasado para dar lugar a la cantidad deseada de estabilidad longitudinal. Mediante la incorporación de flecha en las alas, sin embargo, los diseñadores pueden mover el centro de presión hacia la parte posterior.

La cantidad de la flecha y la posición de las alas colocan el centro de presión en el lugar
correcto.

La contribución de las alas a la estabilidad direccional estática es generalmente pequeña. El ala en flecha proporciona una contribución estable dependiendo de la cantidad de la flecha, pero la contribución es relativamente pequeña en comparación con otros componentes.

Oscilaciones direccionales libres (Balanceo del holandés)
El balanceo del holandés es una oscilación acoplada lateral / direccional que es usualmente dinámicamente estable pero no es seguro en un avión debido a la naturaleza oscilatoria. La amortiguación del modo de oscilación puede ser fuerte o débil dependiendo de las
propiedades de la aeronave en particular.

Si el avión tiene el ala derecha hacia abajo, el ángulo de deslizamiento lateral positivo corrige el ala lateralmente antes que la nariz se vuelve a alinear con el viento relativo. Cuando el ala corrige la posición, una oscilación direccional lateral puede ocurrir resultando en que la nariz de la aeronave efectúa un ocho en el horizonte como consecuencia de dos oscilaciones (balanceo y giro), que, aunque de la misma magnitud, están fuera de fase uno con el otro.

En la mayoría de los aviones modernos, con la excepción de diseños de ala en flecha de alta velocidad, estas oscilaciones direccionales libres por lo general mueren de forma automática en muy pocos ciclos a menos que el aire siga siendo racheado o turbulento.

Los aviones con tendencias de balanceo del holandés continuas suelen estar equipados con amortiguadores de giro giro-estabilizados. Los fabricantes tratan de llegar a un punto medio entre mucha y poca estabilidad direccional. Debido a que es más conveniente para la aeronave tener «inestabilidad en espiral» que tendencias al balanceo del holandés, la mayoría de los aviones
están diseñados con esa característica.

Inestabilidad en espiral
La inestabilidad en espiral existe cuando la estabilidad estática direccional de la aeronave es muy fuerte en comparación con el efecto del diedro en el mantenimiento del equilibrio lateral. Cuando el equilibrio lateral de la aeronave se ve perturbado por una ráfaga de aire y se produce un deslizamiento lateral, la fuerte estabilidad direccional tiende a girar la nariz hacia el viento relativo resultante, mientras que el diedro relativamente débil se atrasa en la restauración del equilibrio lateral. Debido a este giro, el ala en la parte exterior del momento de giro se desplaza hacia adelante más rápido que el ala interior y, en consecuencia, su sustentación se hace mayor.

Esto produce una tendencia a alabear más que, si no se corrige por el piloto, resulta en un ángulo de alabeo cada vez más pronunciado. Al mismo tiempo, la fuerte estabilidad direccional que el gira el avión en el viento relativo esta en realidad forzando la nariz a una actitud de cabeceo más baja.

Comienza una espiral descendente lenta que, si no se contrarresta por el piloto, se incrementa gradualmente en una barrena pronunciada.

Por lo general, la tasa de divergencia en el movimiento en espiral es tan gradual que el piloto puede controlar la tendencia sin ninguna dificultad.

Todos los aviones se ven afectados en alguna medida por esta característica, aunque pueden ser
inherentemente estables en todos los otros parámetros normales. Esta tendencia explica por qué un avión no puede ser volado «sin manos» de forma indefinida.

Muchas investigaciones se han realizado en el desarrollo de dispositivos de control (nivelación de
alas) para corregir o eliminar esta inestabilidad. El piloto debe tener cuidado en la aplicación de controles de recuperación durante las etapas avanzadas de esta condición en espiral o se pueden imponer a la estructura cargas excesivas. La recuperación indebida de la inestabilidad en espiral que lleva a fallas estructurales en vuelo ha contribuido probablemente a más víctimas mortales en aeronaves de aviación general que cualquier otro factor. Puesto que la velocidad del aire en la condición de espiral aumenta rápidamente, la aplicación de la fuerza en el elevador para reducir esta velocidad y subir la nariz sólo «cierra más el giro», aumentando el factor de carga. Los resultados de una espiral sin control prolongada son el fallo estructural en vuelo o estrellarse contra el suelo, o ambas cosas. Las causas más comunes por la que los pilotos se encuentran en esta situación son: la pérdida de referencia del horizonte, la incapacidad para controlar la aeronave por referencia a los instrumentos, o una combinación de ambos.

para saber mas:

Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-1

Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-3

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration