Principios básicos.
Estabilidad.
La palabra equilibrio (equilibrium) es muy antigua, y tiene la misma raíz que el nombre de la constelación Libra (representada en el zodiaco por una balanza), que debe su nombre a la circunstancia de que en los equinoccios la duración del día y de la noche es la misma, y que en tiempos de Hiparco el equinoccio de otoño se presentaba cuando el sol se proyectaba en esa constelación (hoy se proyecta en Virgo).
El equilibrio define el estado de un cuerpo o sistema cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre él es nula. La reacción de cualquier cuerpo a la interrupción de dicho equilibrio recibe el nombre de estabilidad, entendiendo por tal la respuesta de un sistema cuando se le mueve de una posición de equilibrio. Hay dos tipos de estabilidad: estática y dinámica.
Según la 1ª 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 línea recta salvo que se le aplique una fuerza externa. Un cuerpo que no esté acelerando ni decelerando se dice que está en equilibrio: un avión aparcado está en equilibrio; en vuelo recto y nivelado a velocidad constante está en equilibrio; en ascenso o descenso recto a velocidad constante también está en equilibrio. Ahora bien, en un giro a velocidad y altura constante no está en equilibrio puesto que el avión está acelerando hacia el centro del giro.
La estabilidad en un aeroplano es por tanto su capacidad de corregir las situaciones que afectan a su equilibrio y volver o continuar en su trayectoria original, característica que es de suma importancia en su diseño. En nuestro caso, la estabilidad que nos interesa es la capacidad del avión para recobrar una posición de equilibrio después de sufrir una perturbación que la haya modificado (turbulencia, ráfaga de viento, desplazamiento de la carga, etc.).
1.6.1 Estabilidad estática.
La estabilidad estática se clasifica en tres tipos: positiva, neutra y negativa. La siguiente figura representa esta clasificación por medio de tres ruedas de bicicleta en estado de equilibrio.
Estabilidad positiva significa que, si un sistema es desplazado de su posición de equilibrio, genera fuerzas tendentes a volver a la posición 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 tratará de volver a su posición inicial.
Estabilidad neutra se da cuando un sistema desplazado de su posición de equilibrio no genera ninguna fuerza y permanece equilibrado en esta nueva posición. Si giramos hacia uno u otro lado la rueda del centro de la figura, esta rueda se quedará en equilibrio en la nueva posición en que la dejemos.
Estabilidad negativa es cuando un sistema desplazado de su posición de equilibrio genera fuerzas que tienden a desplazarlo aún más. Si movemos algo la rueda de la derecha de la figura, que tiene un contrapeso arriba, esta se irá desplazando cada vez más de la posición de equilibrio inicial.
Estos ejemplos nos muestran, además, que la cantidad de fuerza a aplicar para sacar a un objeto de su posición de equilibrio, mantener el equilibrio en otra posición diferente, o recuperar la posición de equilibrio inicial, es muy diferente según el tipo de estabilidad.
Volviendo al ejemplo de las ruedas de bicicleta, para sacarlas de su posición de equilibrio habrá que ejercer cierta fuerza en la rueda de la izquierda, menos fuerza en la rueda del medio, y menos todavía en la rueda de la derecha. Para retornarlas a su posición anterior, habrá que ejercer muy poca fuerza en la rueda de la izquierda (pues tratará de volver ella sola), algo más en la rueda del medio, y bastante más en la de la derecha.
De acuerdo con lo explicado, un avión será ESTABLE si separado de su posición de equilibrio tiende a recuperarla; NEUTRO si separado de su posición de equilibrio permanece en esa nueva posición sin alejarse más ni volver a la posición inicial, e INESTABLE si separado de su posición de equilibrio tiende a alejarse de ella cada vez más. Parece obvio que un aeroplano debería tener estabilidad positiva, quizá neutra, pero en ningún caso negativa.
La estabilidad estática no es una cualidad intrínseca e inmutable de un objeto, sino que dependiendo de la posición en que se encuentre, puede tener uno o más de los tres tipos de estabilidad estática mencionados. En la figura 163 tenemos un mismo objeto (un cono) en distintas posiciones: en la izquierda tiene característica de estable pues tenderá a volver a su posición si lo desplazamos de ella; en el centro es neutral pues rodará sobre sí mismo libremente, por último, a la derecha es inestable pues una vez separado de su posición no volverá a ella.
Igualmente, en un sistema multidimensional debemos considerar la estabilidad para cada uno de sus ejes por separado. Por ejemplo, consideremos el huevo de la figura 164 en reposo sobre una mesa; en la representación izquierda el huevo tiene estabilidad neutra respecto al eje mostrado, girará libremente alrededor de ese eje; a la derecha se representa con estabilidad positiva respecto a ese otro eje, si lo empujamos en cualquier extremo hacia arriba o hacia abajo siempre tenderá a volver a su posición inicial.
En un avión, que también es un sistema multidimensional, la estabilidad se refiere a cada uno de sus tres ejes de movimiento: longitudinal, lateral y vertical.
1.6.2 Estabilidad dinámica.
Sucede que las fuerzas tendentes a recuperar la posición de equilibrio pueden ser tan grandes que fuercen al sistema a ir más allá de la posición inicial. En el ejemplo anterior, al soltar el huevo que habíamos tumbado en la mesa, este irá más allá de su posición de equilibrio inicial oscilando a uno y otro lado, cada vez con menor intensidad, hasta recuperar el equilibrio plenamente. Pues bien, por estabilidad dinámica se entiende la capacidad de respuesta en el tiempo que hace que esas oscilaciones sean cada vez menores, invariables o cada vez mayores.
Un sistema posee estabilidad dinámica si el movimiento del sistema produce una fuerza que se opone a ese movimiento. La rueda central de la figura 1.6.2 apenas tiene estabilidad dinámica, pues si la hacemos girar estará girando bastante tiempo debido a que la única fuerza que se opone a este movimiento es la fricción del aire.
Al igual que la estabilidad estática, también la estabilidad dinámica puede ser positiva, neutra, o negativa; positiva cuando la amplitud de las oscilaciones del objeto desplazado es cada vez menor, se van amortiguando hasta pararse y el objeto vuelve a su posición de equilibrio; neutra cuando las oscilaciones no varían y por tanto no se amortiguan; y negativa cuando esas oscilaciones se van haciendo cada vez mayores.
La figura 1.6.5 puede servirnos de modelo para diferenciar entre estabilidad estática y estabilidad dinámica. El muelle es un ejemplo de estabilidad estática positiva, pues cuando se le estire o comprima, tratará de volver a su posición de equilibrio, eso sí oscilando a uno y otro lado hasta encontrarla.
Ese mismo amortiguador es otro ejemplo de estabilidad dinámica positiva. Al comprimirse (figura izquierda), el aceite que contiene es obligado a pasar hacia arriba a través de unos pequeños agujeros, suavizando este movimiento; pero cuando el muelle tienda a recuperar la posición inicial (figura derecha), el aceite en la parte de arriba será forzado a pasar hacia abajo a través de los mismos agujeros, suavizando de nuevo el movimiento y las oscilaciones. En cualquiera de los dos casos, la dificultad del aceite para pasar de uno a otro lado debido a su viscosidad es la fuerza que se opone al movimiento del amortiguador.
La estabilidad estática se refiere a las fuerzas que se desarrollan dependiendo de la posición del sistema, mientras que la estabilidad dinámica se refiere a las que se desarrollan en función de la velocidad. En el caso del muelle este reacciona cuando se le saca de su posición, mientras el amortiguador crea una fuerza que es proporcional al movimiento del aceite.
Cuando un sistema tiene estabilidad estática positiva pero no suficiente estabilidad dinámica (amortiguación) surgen las oscilaciones. En la siguiente figura se muestra como las oscilaciones se mantienen con estabilidad dinámica neutra, se van amortiguando con la positiva y aumentan cada vez más con la negativa.
Una mala interpretación de la estabilidad hace que al hablar de estabilidad refiriéndose a un avión se piense en este volando recto y nivelado. Realmente la estabilidad se refiere a cualquier posición de equilibrio: en vuelo recto y nivelado a velocidad constante, en descenso o ascenso a velocidad constante, etc.
1.6.3 Amortiguamiento vertical.
El propósito de este apartado es examinar como responde el avión a los movimientos exclusivamente verticales, y explicar cómo (salvo en situación cercana a la pérdida) resiste eficazmente estos movimientos.
Normalmente un aeroplano está en equilibrio, todas sus fuerzas están en balance, pero para conocer como el avión mantiene este equilibrio vamos a centrarnos en el escenario expuesto en la figura 1.6.7.
Inicialmente el avión está volando recto y nivelado, las fuerzas verticales están en equilibrio; el avión vuelo con un ángulo de ataque (1) y el peso y la sustentación están igualados. Pero en un momento dado hay un cambio súbito en este equilibrio, por ejemplo, se corta el viento que teníamos de frente y la pérdida de velocidad provoca que la sustentación sea menor que el peso. Esto debería provocar que el avión entrase en una trayectoria descendente, y puesto que estas fuerzas seguirían desequilibradas, cada vez más rápidamente.
Sin embargo, no es esto lo que ocurre, pues tan pronto como las alas inciden hacia abajo con una velocidad apreciable el ángulo de ataque (2) es diferente. Sabemos que el ángulo 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 línea, pero el viento relativo ha cambiado de dirección, viene de delante y abajo. Esto supone que tenemos mayor ángulo de ataque luego mayor sustentación y este extra equilibrará de nuevo las fuerzas verticales. Pero un mayor ángulo de ataque también implica una mayor resistencia, la cual equilibra la tendencia a acelerar. El resultado sería una trayectoria descendente no acelerada.
El fuerte amortiguamiento vertical es la razón por la cual se asume siempre que la sustentación es igual al peso. Si las fuerzas estuvieran desequilibradas el avión debería acelerar hacia arriba o abajo hasta que un nuevo ángulo de ataque las equilibrara, pero en la práctica el balance se realiza tan rápidamente que la diferencia entre el peso y la sustentación no es apreciable.
No obstante, esta capacidad de amortiguamiento no debería ser tomada por el piloto como una garantía, pues tal como muestra la fig.1.6.8 pudiera suceder que el nuevo ángulo de ataque (2) exceda el ángulo de ataque crítico y nos haga entrar en pérdida. En este caso no solo no se incrementa la sustentación, sino que disminuye con la pérdida, por lo que las fuerzas se desequilibran más todavía y el avión entra en un descenso acelerado.
1.6.4 Amortiguamiento del alabeo.
Antes hemos visto como el avión 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, para lo cual nos serviremos de la situación planteada en la fig.169.
Como en el caso anterior, inicialmente estamos en vuelo recto y nivelado y con las fuerzas equilibradas. Pero supongamos que toda la carga que llevamos se mueve repentinamente al mismo lado del avión provocando un súbito desequilibrio del peso a soportar por cada ala.
Aunque el morro del avión se mueve hacia delante en la misma trayectoria, el ala con menor peso (1) se mueve adelante y arriba disminuyendo su ángulo de ataque, mientras que el ala con mayor peso (2) se mueve adelante y abajo aumentando su ángulo de ataque. El ala con ángulo de ataque disminuido minora su sustentación, en tanto el ala con el ángulo de ataque incrementado aumenta su sustentación; de esta manera cada ala equilibra el diferente peso que soporta con diferente cantidad de sustentación.
Como en el caso del amortiguamiento vertical, puede suceder que el ala que aumenta su ángulo de ataque exceda el ángulo de ataque crítico y entre en pérdida, con lo cual no solo no aumenta su sustentación, sino que la disminuye cada vez más. Las fuerzas aerodinámicas no se oponen al movimiento, sino que lo amplifican. Esta situación es mucho más peligrosa que la pintada anteriormente, y es precisamente la forma en que se entra en una barrena, un ala que sobrepasa el ángulo de ataque crítico y otra que no.
Este desarrollo es crucial para el vuelo, por lo que los diseñadores lo enfatizan en sus modelos diseñando las alas con un ángulo de incidencia decreciente hacia la punta (torsión), 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 sustentación y al amortiguamiento vertical, pero la sección de ala más cercana al fuselaje contribuye menos al amortiguamiento al alabeo que la sección del extremo del ala. Así, cuando el ala entera alcance su máximo coeficiente de sustentación, la raíz estará en pérdida, pero los extremos no, aportando una cantidad considerable de amortiguación.
1.6.5 Estabilidad longitudinal.
La estabilidad longitudinal, se refiere al movimiento del avión sobre su eje transversal (morro arriba/abajo) y es la más importante porque determina en gran medida las características de cabeceo, particularmente las relativas a la pérdida. Lo confuso de esta definición se debe a la denominación de los ejes del avión, tal como se comentó en el capítulo dedicado a las superficies de mando y control. Es menos farragoso hablar de estabilidad sobre el eje de cabeceo.
De todas las características que afectan al balance y controlabilidad del avión, la de mayor importancia es la estabilidad longitudinal. Es bastante inseguro y poco confortable que un avión muestre tendencia a encabritarse o picar, cuando nuestra atención se encuentra ocupada en otra cosa.
La estabilidad longitudinal depende de tres factores: 1) La localización del ala respecto del centro de gravedad, 2) la localización del estabilizador horizontal del empenaje de cola respecto del centro de gravedad y 3) el área de este estabilizador.
Aunque es difícil 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 avión está resuelta primariamente por el estabilizador horizontal de cola. Puesto a propósito en la parte más alejada de las alas, este estabilizador aerodinámico genera las fuerzas necesarias para contrarrestar el efecto de fuerzas externas. Al ser la parte más alejada del centro de gravedad cualquier fuerza, por pequeña que sea, ejercida sobre este dispositivo tendrá un gran efecto de corrección (mayor par de fuerza).
En la fig.16a tenemos una balanza con los brazos desiguales; en la parte izquierda está en equilibrio (600 = 600) mientras que a la derecha observamos el distinto par de fuerza ejercido si le añadimos 1 kg. a cada platillo (660 > 630).
Si una racha de viento nos levanta el morro del avión, es porque viene por debajo de nuestra trayectoria de vuelo y afectará tanto a las alas como a la cola del avión. Este cambio del viento relativo supone un incremento del ángulo de ataque (más sustentación), más acusado en la cola debido a su mayor distancia al centro de gravedad (como en la balanza de brazos desiguales), la cual se levantará volviendo a poner el morro con la actitud anterior y disminuyendo el ángulo de ataque de las alas.
Si la racha viene por arriba habrá menos ángulo de ataque, y el déficit de sustentación más acusado en la cola hará que esta baje volviendo a poner el avión en equilibrio.
Decalaje. Para mejorar las características de pérdida, normalmente los aviones se diseñan de manera que el estabilizador horizontal de cola tiene menor ángulo de incidencia que las alas. Esta diferencia de ángulos de incidencia entre superficies aerodinámicas recibe el nombre de decalaje. Veamos con un ejemplo el desarrollo de la estabilidad longitudinal explicado, incluyendo esta característica de diseño.
En la fig.16b se muestra un avión con decalaje = 2º. Supongamos pues, que estamos volando con un ángulo de ataque de 3º en las alas y 1º en el estabilizador (imagen izquierda) y nos alcanza una ráfaga que viene 1º por debajo de nuestra trayectoria (imagen derecha). Esto supone que, aunque nuestra actitud de vuelo no ha cambiado, las alas tienen ahora 4º de ángulo de ataque y el estabilizador horizontal 2º, que se traduce en un incremento de la sustentación 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.
El mayor incremento de sustentación en la cola junto con el mayor par de fuerza hará que esta se eleve y baje el morro del avión, recobrándose una posición de equilibrio.
Los números de la figura representan superficies (3 y 6), distancias al centro de gravedad (12 y 2) y ángulos de ataque (1º, 2º, 3º y 4º).
A la vista de este funcionamiento, es fácil comprender que la situación del centro de gravedad del avión con respecto al centro aerodinámico es lo que ejerce mayor influencia sobre su estabilidad longitudinal, aunque también influyen los cambios de velocidad, potencia, actitud, etc.
Si el Centro de Gravedad y el Centro Aerodinámico están en el mismo plano, el avión tiene estabilidad neutra pues ambas fuerzas tienen el mismo punto de aplicación; si el C.G. está adelantado con respecto al C.A. el avión es estable y tenderá a picar (morro abajo), y por último si el C.G. está retrasado con respecto del C.A. el avión es inestable y tiende a encabritarse (morro arriba).
La mayoría de los aviones tienen el Centro de Gravedad adelantado con respecto al Centro Aerodinámico.
El Centro de Gravedad de cada avión viene tabulado por el fabricante, lo mismo que sus límites de desplazamiento, la carga máxima permitida, etc. y es imperativo, para un óptimo control y estabilidad del aeroplano, que el Centro de Gravedad se mantenga dentro de los límites permitidos por su diseñador, pues lo contrario puede provocarnos serios problemas en el control y estabilidad del avión. En el capítulo dedicado a la carga y centrado del avión se explica con mayor detalle los efectos del centro de gravedad desplazado respecto del centro aerodinámico.
Se malinterpreta la estabilidad longitudinal al pensar en un avión estable con respecto al horizonte, lo cual es además una cualidad poco deseable; un avión debe ser longitudinalmente estable a distintos ángulos de ataque.
Merece la pena mencionar, aunque sea brevemente, lo siguiente: tanto el flujo de aire que desplaza la hélice, como el que fluye hacia abajo por el borde de salida del ala inciden sobre la cola del avión afectando a la estabilidad longitudinal. Al extender flaps, el flujo del borde de salida se hace más pronunciado, e incide sobre el estabilizador horizontal de forma distinta según la situación de los planos del avión. Si el avión es de plano bajo, este flujo incidirá sobre la parte inferior del estabilizador haciendo que la cola suba y el morro baje; si el avión es de plano alto incidirá sobre la parte superior del estabilizador, bajando la cola y haciendo subir el morro.
1.6.6 Estabilidad lateral.
La estabilidad lateral se refiere a la mostrada por el avión sobre su eje longitudinal. Un avión que tiende a volver a su posición de alas niveladas después de que una ráfaga de viento levante o baje una de ellas se dice que es lateralmente estable. Nuevamente, sería menos confuso de entender si se habla de estabilidad sobre el eje de alabeo.
La estabilidad lateral del avión viene proporcionada básicamente por el diseño en ángulo diedro de las alas, por el cual los extremos de las alas están en un plano más alto que la parte anclada al fuselaje. El efecto estabilizador de este diseño ocurre cuando un ala es elevada súbitamente por una ráfaga de aire y debido a ello el avión se desliza sobre el ala contraria. Este deslizamiento produce un aumento del ángulo de ataque del ala bajada con respecto del ala que está más alta; este incremento produce sustentación adicional en el ala bajada haciendo que esta suba y recupere el equilibrio.
1.6.7 Estabilidad direccional.
La estabilidad direccional concierne al movimiento del avión 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, más claro de comprender si hablamos de estabilidad sobre el eje de guiñada.
El elemento que proporciona estabilidad direccional al avión es el estabilizador vertical de cola, que tiene el mismo funcionamiento aerodinámico que los demás estabilizadores. Si una racha de viento alcanza al avión por un costado, el mayor par de fuerza ejercido por el estabilizador vertical hará que la cola trate de orientarse hacia la ráfaga, moviendo el morro al lado contrario y recuperando de esta forma la trayectoria.
Notas:
Aunque se ha invertido una gran cantidad de tiempo, dinero y esfuerzo para diseñar aviones que mantengan un estado de equilibrio, el piloto debe ser capaz de interrumpir ese equilibrio para maniobrar el avión.
Supongamos que estamos en vuelo recto y nivelado; si deseamos hacer un giro debemos actuar sobre los mandos correspondientes, con lo cual rompemos una situación de equilibrio para ir a otra posición distinta; lo mismo si queremos subir, bajar o volver de nuevo a vuelo recto y nivelado.
De lo visto en este capítulo, se deduce que un aeroplano estable es fácil de volar; ahora bien, esto no significa que el piloto deba depender enteramente de la estabilidad del avión para volver a la condición de vuelo original. Incluso en los aeroplanos más estables, se requiere el uso de los controles de vuelo para retornar a la actitud de vuelo deseada.
Un avión bien diseñado requiere menos esfuerzo para controlarlo. Un avión tendrá un tipo de estabilidad según la función para la cual se ha diseñado. Si es estable se comportará con nobleza aun a costa de presentar esfuerzo en los mandos, ya que tratará de volver a su posición de equilibrio; por el contrario, un avión inestable tendrá un comportamiento nervioso ya que cualquier movimiento sacará al avión con facilidad de su posición de equilibrio, característica esta que lo hace idóneo para el vuelo acrobático.
