Apoyo, Flotación y Estabilidad

El apoyo estable es obviamente un requisito para la operación de vehículos. Los que apoyan en tierra reciben un apoyo sólido por parte de las carreteras, pistas y carriles los cuales brindan la estabilidad necesaria a los vehículos. Los navíos y barcazas, que operan en el agua, reciben apoyo por medio de su flotabilidad, la cual ayuda también a los globos y dirigibles, en cambio las maquinas mas pesadas que el aire, dependen de las diferencias de presión del aire. La estabilidad es fundamental para la comodidad y seguridad de todos los vehículos y embarcaciones. Es un factor que se tiene en cuenta al diseñar los sistemas de suspensión de los sistemas terrestres (ruedas, ejes y conjuntos de carretilla), lo mismo que al diseñar y conservar la uniformidad de las carreteras y vías férreas y el peralte en las curvas.

Flotabilidad de los Navíos

El principio de Arquímedes establece que un cuerpo que se sumerge en un líquido es impulsado hacia arriba con una fuer­za equivalente al peso del fluido que se desaloja.

El agua dulce pesa 999,55 Kilogramos por metro cúbico; el agua salada pesa 1.025,18 Kilogramos por metro cúbico. El peso del barco, es igual al peso del agua que desaloja su parte sumergida. El espacio que se desaloja equivalente a una tonelada larga de agua dulce es de 0,99 (m3); en el caso del agua salada es de 1,02 (m3).

Un bloque rectangular de D (m.) de profundi­dad, con longitud L (m.), ancho B (m.) y calado o altura sumergida H (m.); desalojará, en agua dulce, (LxBxH)/0,99 toneladas largas; en agua salada el desalojo vendrá a ser de (LxBxH)/1,02 toneladas largas.

Sin embargo, el casco de los navíos no es rectangular. Su forma es más o menos aerodinámica para facilitar el movimiento contra la resistencia del agua y las olas. La relación entre el volumen real sumergido y el bloque LBH correspondiente se conoce como coeficiente de bloque CB y varía de acuerdo al navío:

Yate: CB puede ser apenas de 0,50

Barcaza: CB varía entre 0,88 y 0,95

Remolcador: CB varía entre 0,58 y 0,68

Transportadores: CB es de 0,87 a 0,88 como promedio

El CB varía con el calado y por lo tanto con el peso del lastre, del combustible y de la carga presente en un momento dado. Es preciso obtener el CB de la tabla de calados formulada por el diseñador para cualquier carga en particular.

El desplazamiento real (peso en toneladas largas) de un navío en agua salada es de (LBH x CB)/1,02

Estabilidad de las Embarcaciones

La estabilidad es una propiedad de la embarcación que le permite conservar una posición vertical alrededor de su eje, o volver a dicha posición si alguna fuerza externa, por ejemplo una ola, la aparta de ella. Cuando una embarcación está en equilibrio, la cubier­ta se encuentra nivelada y el centro de gravedad G, lo mismo que el centro de flotación B, están sobre la misma línea axial vertical. Véase la figura si se la aparta de esa posición, una embarcación estable tenderá a volver a su posición de equilibrio original.

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FIGURA Equilibrio de un navío.

Considérese la sección transversal de la figura el navío aparece en posición inclinada, con el centro de flotabilidad desplazado hasta B’, y actuando verticalmente hacia arriba para interceptar con la prolongación de BG en el punto M’. Se genera un par de corrección con el fin de neutralizar el par de inclinación, en virtud de lo cual:

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Donde:

W = Peso del navío en toneladas de desplazamiento

GT = GM’ SenØ Es la palanca de corrección en pies

M’ = Metacentro transversal

GM’= Altura metacéntrica

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FIGURA Estabilidad de un navío.

El Apoyo de las Aeronaves

Únicamente los globos y dirigibles tienen flotabilidad, en el sentido en el que lo tiene un barco. Pero las máquinas más pesadas que el aire se mantienen en vuelo gracias a la presión que ejerce el medio en el que operan, o sea el aire.

Sobre un aeroplano en vuelo actúan una serie de fuerzas (figura), favorables unas y desfavorables otras, siendo una tarea primordial del piloto ejercer control sobre ellas para mantener un vuelo seguro y eficiente. Aunque los expertos siguen debatiendo e investigando sobre aerodinámica, a nuestro nivel solo necesitamos conocer algunos conceptos fundamentales, empezando por las fuerzas que afectan al vuelo y sus efectos.

De todas las fuerzas que actúan sobre un aeroplano en vuelo, las básicas y principales porque afectan a todas las maniobras son cuatro: sustentación, peso, empuje y resistencia. Estas cuatro fuerzas actúan en pares; la sustentación es opuesta al peso, y el empuje o tracción a la resistencia.

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FIGURA Fuerzas que actúan en vuelo.

Un aeroplano, como cualquier otro objeto, se mantiene estático en el suelo debido a la acción de dos fuerzas: su peso, debido a la gravedad, que lo mantiene en el suelo, y la inercia o resistencia al avance que lo mantiene parado. Para que este aeroplano vuele será necesario contrarrestar el efecto de estas dos fuerzas negativas, peso y resistencia, mediante otras dos fuerzas positivas de sentido contrario, sustentación y empuje respectivamente. Así, el empuje ha de superar la resistencia que opone el avión a avanzar, y la sustentación superar el peso del avión manteniéndolo en el aire.

La sustentación es la fuerza desarrollada por un perfil aerodinámico (ala) moviéndose en el aire, ejercida de abajo arriba, y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Se suele representar con la letra L del ingles Lift = sustentación.

El ala produce un flujo de aire en proporción a su ángulo de ataque y a la velocidad con que el ala se mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica menor presión.

Tenemos pues que la superficie superior del ala soporta menos presión que la superficie inferior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la zona de mayor presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba) (figura).

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FIGURA Presión vs. Velocidad.

Pero además, la corriente de aire que fluye a mayor velocidad por encima del ala, al confluir con la que fluye por debajo deflecta a esta última hacia abajo, produciéndose una fuerza de reacción adicional hacia arriba. La suma de estas dos fuerzas es lo que se conoce por fuerza de sustentación, que es la que mantiene al avión en el aire.

Estabilidad de las Aeronaves

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.

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 esta resuelta primariamente por el estabilizador horizontal de cola (ver figura). 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).

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FIGURA Estabilizador horizontal.

Si un 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, la cual se levantará volviendo a poner el morro con la actitud anterior y disminuyendo el ángulo de ataque de las alas. Si el viento 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.

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 figura 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.

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FIGURA Desarrollo de la estabilidad longitudinal.

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.

A la vista de este funcionamiento, es fácil comprender que la situación del centro de gravedad (CG) con respecto al centro aerodinámico (CA) es lo que ejerce mayor influencia sobre su estabilidad longitudinal, aunque también influyen los cambios de velocidad, potencia, actitud, etc. (Ver figura).

Si el CG y el CA están en el mismo plano, el avión tiene estabilidad neutra pues ambas fuerzas tienen el mismo punto de aplicación; si el CG esta adelantado con respecto al CA el avión es estable y tenderá a picar (morro abajo), y por último si el CG esta retrasado con respecto del CA el avión es inestable y tiende a encabritarse (morro arriba).

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FIGURA Estabilidad longitudinal en función del CA y del CG.

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.

Apoyo, Flotación y Estabilidad Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Ing. Civil

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