Estabilitat direccional

Archiu:Aircraft static llongitudinal stability.svg

Una aeronau en els tres casos d'estabilitat estàtica: Estable, inestable i neutre.

La estabilitat direccional o lateral-direccional tracta sobre l'estabilitat d'un cos o vehícul en moviment sobre un eix perpendicular a la seua direcció de moviment. L'estabilitat d'un vehícul és la capacitat per a retornar a la seua posició original quan és pertorbat pel mig en el que es troba (aigua, aire, superfície de carretera, etc.) i les forces ho fan moure's (girar-se) sobre la seua direcció original. Si un vehícul és estable direccionalment, cada volta que és pertorbat pel mig es crea un moment recuperador que és opost a la direcció a la que tracta de ser desplaçat. Este moment "espenta" al vehícul en intenció de tornar-ho a la seua orientació original, i per això el vehícul sempre tendirà a mantindre-la. L'estabilitat sobre l'eix de la direcció del moviment es denomina estabilitat llongitudinal.

Estabilitat estàtica

Quan un vehícul es mou, estarà subjecte a canvis menors en les forces que actuen sobre ell, i en la seua velocitat.

Si este canvi causa atres canvis que tendixen a restaurar el vehícul a la seua velocitat i orientació original sense que cap màquina o humà actue, es diu que el vehícul és estáticamente estable. L'aeronau té una estabilitat positiva.
Si este canvi causa atres canvis que tendixen a alluntar al vehícul d'estes condicions, es diu que és estáticamente inestable. L'aeronau té una estabilitat negativa.
Si per una atra part el canvi ni restaura la velocitat ni l'orientació original, ni tampoc fa que s'allunte d'estes condicions, es diu que és estáticamente neutre. L'aeronau té una estabilitat de zero.

Per a que un vehícul posseïxca una estabilitat estàtica positiva, no és necessari que tant la seua velocitat com la seua orientació tornen al seu estat original exacte. És suficient en que estos dos valors no divergixquen i que mostren per lo manco un chicotet canvi que els intente dur a les condicions inicials.

Estabilitat direccional estàtica en Aeronaus

De forma simplificada, el sistema de referència utilisat en les aeronaus per a l'estudi de l'estabilitat és: l'eix $X_{s}$ es pren dins del pla de simetria de l'avió pero seguint l'inclinament del vector velocitat (positiu en la direcció del moviment), l'eix $Y_{s}$ és perpendicular a este positiu en la direcció de l'ala dreta i l'eix $Z_{s}$ completa el triedro positiu cap a avall (para més informació, vore Eixos de l'avió).

En este cas, existixen dos eixos sobre els quals el cos pot girar dins del problema lateral-direccional: l'eix $X_{s}$ (roll o alabeo) i l'eix $Z_{s}$ (yaw o guiñada).

Existixen distintes variables que són molt útils per a estudiar este problema, com són l'àngul entre el morro de l'aeronau i la corrent incident dins del pla simetria de l'aeronau $X_{s}$ - $Z_{s}$ (àngul d'atac, $α$ ), i l'àngul de resbalamiento ( $β$ ), que és l'àngul entre el morro i la corrent medit en el pla $X_{s}$ - $Y_{s}$ .

També és necessari conéixer els ànguls de deflexión de les superfícies de control: $δ_{a}$ per als alerones o ailerons i $δ_{r}$ per al timó de direcció o rudder (para més informació, vore Mandos de vol).

Normalment, una aeronau en vol rectilíneo i uniforme no supon un problema lateral-direccional, sino que este sorgix quan existix una distribució d'espente asimètrica, un vol en condicions de resbalamiento no nules ( $β$ ≠ 0), pesos asimètrics penjant de les ales... i, en definitiva, qualsevol condició de vol que faça que a l'aeronau canviar la seua actitut dins dels plans anteriorment mencionats.

Anàlisis del problema lateral-direccional

Per a l'anàlisis es tenen en conte tres magnituts: $Y$ , la força lateral, $ℒ$ , el moment de alabeo i $N$ , el moment de guiñada.

Despuix de la seua normalisació, queden:

$C_{Y} = \frac{Y}{\frac{1}{2} ρ v^{2} S}$

$C_{ℒ} = \frac{ℒ}{\frac{1}{2} ρ v^{2} S b}$

$C_{N} = \frac{N}{\frac{1}{2} ρ v^{2} S b}$

a on $\frac{1}{2} ρ v^{2}$ és la pressió dinàmica, $S$ és la superfície alar de l'avió i $b$ és l'envergadura de l'ala.

A l'hora de resoldre un problema lateral-direccional, es deuran resoldre un sistema d'equacions d'equilibri dinàmic en estes tres variables:

$\sum {\vec{F}}_{y} = 0$

$\sum {\vec{M}}_{ℒ} = 0$

$\sum {\vec{M}}_{N} = 0$

Del com es deuen rebujar les variables lateral-direccionals.

Força lateral

Existixen vàries causes per les que poden crear-se forces laterals que tracten de desestabilisar a l'aeronau.

Quan hi ha resbalamiento ( $β$ ≠ $0$ ), l'aire incidirà en l'estabilisador horisontal en un àngul $β - α_{v}$ , sent $α_{v}$ l'àngul d'atac d'este. Per eixa diferència angular, es genera una força lateral que tracta d'espentar a l'estabilisador.

Per la deflexión del timó de direcció ( $δ_{r}$ ≠ $0$ ) es produïx un efecte molt paregut, en existir un canvi d'àngul d'atac i crear-se una força lateral que espenta, esta volta, al rudder.

Moment de alabeo

Pel resbalamiento, es pot crear un moment de alabeo si les ales de l'aeronau tenen un àngul de diedro $Γ$ , açò és, un àngul d'inclinament sobre el pla $X_{s} - Y_{s}$ . En incidir l'aire en un àngul de resbalamiento $β$ , es crea una distribució asimètrica de sustentació, creant aixina un moment de alabeo.
Existix un efecte semblat quan les ales tenen flecha $Λ$ , açò és, un àngul d'inclinament sobre el pla $Y_{s} - Z_{s}$ . Per l'àngul de resbalamiento, es crea una distribució asimètrica de sustentació de nou en ser la velocitat del decorregut major en un semi-ala que en l'atra.
La força lateral que es crea en l'estabilisador vertical mencionada en l'apartat anterior també pot produir un moment de alabeo apreciable si la distància del centre de gravetat de l'estabilisador i de l'aeronau estan suficientment llunt.
Ademés, la posició relativa de les ales sobre el fuselage també són capaços de generar moments.

La força lateral creada per deflexión del timó de direcció també pot crear un moment de alabeo apreciable si la distància del centre de gravetat del rudder i de l'aeronau estan suficientment llunt.

Moment de guiñada

De la mateixa manera que en els anteriors casos, el resbalamiento també és capaç de crear moments de guiñada. Si les ales tenen àngul de flecha, per l'àngul de flecha $Λ$ es crea una distribució asimètrica de resistència aerodinàmica, provocant aixina un moment de guiñada.
També, per la força creada per la deflexión d'estela lateral-direccional, es crea un moment de guiñada per la distància entre el centre de gravetat de l'aeronau i de l'estabilisador vertical.
Ademés, en aeronaus chicotetes d'hèliç, l'efecte de l'aire en les afores de l'hèliç és rellevant, este efecte també genera una força lateral i per tant, un moment de guiñada.

Per la deflexión dels alerones ( $δ_{a}$ ≠ $0$ ), es crea una distribució asimètrica de sustentació, la qual a la seua volta crea una distribució asimètrica de resistència induïda, en la qual cosa es genera un moment de guiñada. A este efecte se li crida guiñada adversa.

Per la força generada al deflectar el timó de direcció, també es genera un moment de guiñada per la distància entre el centre de gravetat de l'aeronau i del timó.

Referències

Miguel Ángel Gómez Tendre, Manuel Pérez Cortés, César Ponts Marquez. Mecànica del Vol. 2º Edició, Editorial Garceta

Este artícul conté una traducció derivada de «Estabilidad direccional» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.