Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-3

Fuerzas aerodinámicas en maniobras de vuelo

Fuerzas en virajes

Si una aeronave fuera vista en vuelo recto y nivelado desde el frente  y si las fuerzas que actúan sobre la aeronave se pudieran ver, la sustentación y el peso serían evidentes: dos fuerzas. Si la aeronave se encontrara inclinada sería evidente que la sustentación no actúa directamente en oposición al peso, sino que actúa en la dirección del alabeo. Una realidad básica acerca de los virajes: cuando las aeronaves alabean, la sustentación actúa hacia dentro del viraje, así como hacia arriba.

La primera Ley de Newton del movimiento, la Ley de la Inercia, establece que un objeto en reposo o moviéndose en línea recta permanece en reposo o continúa moviéndose en línea recta hasta que actúa sobre el alguna otra fuerza. Un avión, como cualquier objeto en movimiento, requiere de una fuerza hacia los lados para hacerla virar. En un viraje normal, esta fuerza es suministrada alabeando la aeronave a fin de que la sustentación se ejerza hacia adentro, así como hacia arriba.

La fuerza de sustentación en un viraje se divide en dos componentes perpendiculares entre sí.

Una de las componentes, que actúa verticalmente y opuesto al peso (gravedad), se denomina «componente vertical de la sustentación». La otra, que actúa horizontalmente hacia el centro del viraje, se llama»componente horizontal de la sustentación» o fuerza centrípeta. La componente horizontal de la sustentación es la fuerza que tira de la aeronave en vuelo recto para hacerla virar.

La fuerza centrífuga es la «reacción igual y opuesta» de la aeronave por el cambio de dirección y actúa igual y opuesta a la componente horizontal de la sustentación. Esto explica por qué, en un viraje correctamente ejecutado, la fuerza que gira el avión no es suministrada por el timón. El timón se utiliza para corregir cualquier desviación de la senda de la nariz y la cola de la aeronave. Un buen viraje es aquel en que la nariz y la cola de la aeronave siguen el mismo camino.

Si no se utiliza el timón en un viraje, la nariz del avión gira hacia el exterior del viraje. El timón se utiliza para traer la nariz de nuevo en línea con el viento relativo.

Un avión no se controla como un barco o un automóvil.

Para que un avión vire, debe ser alabeado. Si no se inclina, no hay fuerza disponible para hacer que se desvíe del vuelo recto. Por el contrario, cuando un avión se alabea, gira, siempre que no se deslice hacia interior del viraje.

Un buen control de la dirección se basa en el hecho de que el avión intenta virar cada vez que se inclina. Los pilotos deben tener en cuenta este hecho cuando intentan mantener el avión en vuelo recto y nivelado.

Solamente alabeando la aeronave en un viraje no produce ningún cambio en la cantidad total de
sustentación desarrollada. Dado que la sustentación en viraje se divide en sus componentes vertical y horizontal, la cantidad de sustentación que se opone a la gravedad y soporta el peso del avión se reduce. En consecuencia, el avión pierde altura a menos que se cree sustentación adicional. Esto se hace mediante el aumento del AOA hasta que la componente vertical de
la sustentación es nuevamente igual al peso. Dado que la componente vertical de la sustentación disminuye a medida que aumenta ángulo de inclinación lateral, el AOA debe ser incrementado progresivamente para producir sustentación vertical suficiente para soportar el
peso de la aeronave. Un hecho importante para que recuerden los pilotos cuando hacen virajes con altitud constante es que la componente vertical de la sustentación debe ser igual al peso para mantener la altitud.

A una velocidad dada, la velocidad a la que vira un avión depende de la magnitud de la componente horizontal de la sustentación. Se ha encontrado que la componente horizontal de la sustentación es proporcional al ángulo de alabeo, es decir, aumenta o disminuye, respectivamente, cuando el ángulo de alabeo aumenta o disminuciones. A medida que el ángulo de inclinación aumenta, la componente horizontal de sustentación aumenta, aumentando entonces la ROT (velocidad de viraje, Rate Of Turn).

En consecuencia, a una velocidad dada, la ROT se puede controlar mediante el ajuste del ángulo de alabeo.

Para proporcionar una componente vertical de la sustentación suficiente para mantener la altitud en un viraje nivelado, es necesario un aumento del AOA.

Dado que la resistencia de la superficie de sustentación es directamente proporcional a su AOA, la resistencia inducida aumenta cuando la sustentación se incrementa.

Esto, a su vez, provoca una pérdida de velocidad en proporción con el ángulo de alabeo. Un pequeño ángulo de alabeo resulta en una pequeña disminución en la velocidad, mientras que un gran ángulo de alabeo resulta en una gran reducción en la velocidad. Se debe aplicar un empuje adicional (potencia) para evitar una reducción en la velocidad en los virajes nivelados. La cantidad necesaria de potencia adicional es proporcional al ángulo de alabeo.

Para compensar la sustentación adicional, que resultaría si la velocidad se incrementa durante un viraje, el AOA debe ser disminuido, o aumentar el ángulo de inclinación, si se debe mantener una altitud constante.

Si el ángulo de alabeo se mantiene constante y se disminuye el AOA, la ROT se reduce. A fin de
mantener una ROT constante cuando se incrementa la velocidad, el AOA debe ser mantenido constante y aumentar del ángulo de inclinación.

Un aumento de velocidad resulta en el aumento del radio de giro, y la fuerza centrífuga es directamente proporcional al radio del giro. En un viraje ejecutado correctamente, la componente horizontal de la sustentación debe ser exactamente igual y opuesta a la fuerza centrífuga. A medida que la velocidad se incrementa en un viraje nivelado a ROT constante, el radio del viraje aumenta. Este aumento en el radio de giro provoca un aumento de la fuerza centrífuga, que debe ser compensada por un aumento en la componente horizontal de la sustentación, la cual sólo se puede incrementar aumentando el ángulo de alabeo.

En un viraje deslizando, la aeronave no está virando a la velocidad adecuada para el alabeo utilizado, ya que la aeronave está orientada hacia el exterior de la trayectoria de vuelo. El avión está inclinado demasiado para la ROT (velocidad de giro), por lo que la componente horizontal de sustentación es mayor que la fuerza centrífuga.

El equilibrio entre la componente horizontal de sustentación y la fuerza centrífuga se restablece, ya sea disminuyendo el ángulo de inclinación, aumentando la ROT, o una combinación de los dos cambios.

Un viraje derrapando resulta de un exceso de la fuerza centrífuga sobre la componente horizontal de sustentación, tirando de la aeronave hacia el exterior del viraje. La ROT es demasiado grande para el ángulo de inclinación. La corrección de un viraje derrapando por lo tanto implica una reducción en la ROT, un aumento en el alabeo, o una combinación de los dos cambios.

Para mantener una ROT dada, el ángulo de alabeo debe ser variado con la velocidad. Esto resulta especialmente importante en aeronaves de alta velocidad. Por ejemplo, a 350 nudos, una aeronave debe ser alabeada aproximadamente 44° para ejecutar un giro a velocidad estándar (3° por segundo). Con este ángulo de alabeo, sólo alrededor del 79 por ciento de la sustentación de la
aeronave comprende la componente vertical. Esto provoca una pérdida de altura a menos que el AOA se incremente lo suficiente como para compensar la pérdida de sustentación vertical.

Fuerzas en ascensos

A fines prácticos, la sustentación del ala en un ascenso constante normal es la misma que se encuentra en un vuelo nivelado a la misma velocidad. Aunque la trayectoria de vuelo del avión cambie cuando fue establecido el ascenso, el AOA del ala con respecto a la trayectoria de vuelo inclinado vuelve prácticamente a los mismos valores, lo mismo que la sustentación. Hay un cambio momentáneo inicial como se muestra en la figura siguiente.

Durante la transición de vuelo recto y nivelado a un ascenso, se produce un cambio en la sustentación cuando se aplica presión sobre el elevador por primera vez. Elevando el morro del avión incrementa el AOA y aumenta momentáneamente la sustentación. La sustentación en este momento es mayor que el peso y comienza el ascenso del avión.

Después que la trayectoria de vuelo se estabiliza en la pendiente de ascenso, el AOA y la sustentación vuelven de nuevo a los valores de vuelo nivelado.

Si se inicia el ascenso sin cambios en la potencia, la velocidad disminuye gradualmente debido a que el empuje necesario para mantener una velocidad determinada en vuelo nivelado es insuficiente para mantener la misma velocidad en un ascenso. Cuando la trayectoria de vuelo se inclina hacia arriba, una componente de peso de la aeronave actúa en la misma
dirección, y paralelamente a la resistencia total de la aeronave, lo que aumenta la resistencia efectiva total.

En consecuencia, la resistencia total es mayor que la potencia, y disminuye la velocidad. La reducción de velocidad resulta gradualmente en una disminución correspondiente en la resistencia hasta que la resistencia total (incluyendo la componente de peso que actúa en la
misma dirección) es igual al empuje.

Debido al momento del avión, el cambio de velocidad es gradual, variando considerablemente con diferencias en el tamaño de la aeronave, el peso, resistencia total, y otros factores. En consecuencia, la resistencia total es mayor que el empuje, y disminuye la velocidad.

En general, las fuerzas de empuje y resistencia, y sustentación y peso, se equilibran otra vez cuando la velocidad se estabiliza, pero a un valor inferior que en vuelo recto y nivelado a la misma potencia. Dado que el peso de la aeronave está actuando no sólo hacia abajo sino hacia atrás como resistencia mientras asciende, se requiere potencia adicional para mantener la velocidad
igual que en vuelo nivelado. La cantidad de potencia depende del ángulo de ascenso. Cuando el ascenso se establece tan empinado que no se dispone de suficiente
potencia, resulta en una velocidad menor.

El empuje necesario para un ascenso estable es igual a la resistencia más un porcentaje del peso en función del ángulo de ascenso. Por ejemplo, un ascenso de 10° requiere un empuje necesario para igualar la resistencia más un 17 por ciento del peso. Para subir directo hacia arriba sería necesario empuje para igualar todo el peso y la resistencia. Por lo tanto, el ángulo de ascenso para un ascenso óptimo depende del exceso de potencia disponible para superar una parte del peso. Tenga en cuenta que los aviones son capaces de sostener un ascenso debido al exceso de empuje. Cuando el exceso de empuje desaparece, la aeronave ya no es capaz de ascender. En este punto, la aeronave ha alcanzado el «techo».

Fuerzas en descensos
Al igual que en los ascensos, las fuerzas que actúan sobre el avión pasan por cambios definidos cuando entra en descenso desde vuelo recto y nivelado. Para el siguiente ejemplo, el avión está descendiendo con la misma potencia que utiliza en vuelo recto y nivelado.

Mientras se aplica presión hacia adelante a la palanca de mando para iniciar el descenso, el AOA se reduce momentáneamente. Inicialmente, el momento de la aeronave hace que el avión continúe brevemente a lo largo de la misma trayectoria de vuelo. En ese instante, el AOA disminuye causando la disminución de la sustentación total. Con el peso siendo ahora mayor que la sustentación, el avión comienza a descender. Al mismo tiempo, la trayectoria de vuelo pasa de nivelado a una trayectoria de vuelo descendente. No hay que confundir una reducción de la sustentación con la incapacidad de generar suficiente sustentación para  mantener un vuelo nivelado. La trayectoria de vuelo está siendo manipulada con el empuje disponible y con el elevador.

Para descender a la misma velocidad que la utilizada en vuelo recto y nivelado, la potencia debe reducirse cuando se inicia el descenso. La componente de peso que actúa hacia adelante a lo largo de la trayectoria de vuelo aumenta a medida que el ángulo de descenso aumenta y, por el contrario, disminuye a medida que el ángulo de descenso disminuye.

Para saber más:

Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-1

Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-2

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration