La inestabilidad de los aviones

Hoy, tras un tiempo más largo del habitual para publicar posts, traigo un concepto que no está muy recogido en portales como Youtube, para mi sorpresa. Y la mecánica y teoría tras esto da un poco pereza de ponerse a leer.

Se trata de la estabilidad estática de los aviones.

Básicamente se trata de que algunos aviones de combate, los comúnmente denominados cazas, son elementos altamente inestables y algo tan simple como mantener un vuelo en línea recta es muy complejo. Este avión es muy nervioso y tiende a ser muy inestable para poder maniobrar y giros alrededor de su eje longitudinal rápidamente. Por lo tanto, no es un fallo, sino un criterio de diseño.

Vamos a comenzar por lo básico. Estabilidad estática se refiere al concepto de qué ocurre con una basa cuando es sometida a una pequeña fuerza de su posición de equilibirio. Imaginemos una pequeña masa puntual, que podría ser una bolita:

Estabilidad estática positiva

Si aplicamos una fuerza, la bolita tenderá a volver a su posición original.


Estabilidad estática neutra

Ante la aplicación de una fuerza, la bolita se quedará de manera estable en otro punto con las mismas condiciones que la posición original.


Estabilidad estática negativa

Ante una perturbación, la posición de equilibrio se volverá inestable, y no se podrá saber cuál es su próximo punto de equilibrio.

El caso del post que nos ocupa es el último. Es decir, en un avión caza cuando el piloto desea maniobrar, la tendencia del aparato es favorable a ese cambio. De hecho, es tan favorable, que el piloto tiene que realizar un gran esfuerzo en volver a tener una posición de equilibrio. De la misma manera, es difícil estar estático, o ir recto, ya que ante la mínima perturbación el avión reacciona.

Pero veamos por qué ocurre esto. Uno de los modelos más representativos de este criterio de diseño es el F-16, ampliamente conocido por los geeks de este mundillo. Vamos a verlo:

El peso (w) cuelga del centro de gravedad. Mientras, la fuerza de sustentación (lift, Lw), sale del centro aerodinámico. Esta imagen se puede ver en esta entrada de la wikipedia. Y en la misma página, a través de una sencillas ecuaciones, se llega a definir el concepto de margen estático:

En esa ecuación:
- xg es la distancia del centro aerodinámico al centro de gravedad.
- c es la distancia de la cuerda aerodinámica media del ala.
- Vt es un término que tiene en cuenta lt, la c, el peso y la sustentación.


Por otro lado, tras hacer un análisis un poco más completo del avión, lograríamos el punto neutro, o CENTRO AERODINÁMICO: se trata del punto alrededor del cual se equilibran todas las fuerzas aerodinámicas del avión, y el margen estático (h) es la distancia entre el centro de gravedad y ese punto. para que un avión sea estable, el término h debe de ser positivo. Si el CDG se encuentra por delante del punto neutro (o centro aerodinámico), el avión tendrá estabilidad estática longitudinal estable. Por contra, si está por detrás, será inestable, como lo es el F-16, y en este caso se denomina relaxed static stability, o estabilidad estática relajada.

De hecho, este caza cuenta con sistemas electro-hidráulicos que permiten un mayor control del avión a través de la tecnología fly-by-wire. El modelo participó en la operación Tormenta del Desierto, y todos los pilotos se quejaron de su excesiva falta de maniobrabilidad.

Esta estabilidad está relacionada con los siguientes conceptos, pero no se calculan de la misma manera:
- Estabilidad estática transversal: corresponde a la capacidad del avión para rotar sobre su eje longitudinal.
- Estabilidad dinámica: es la tendencia final para volver a una posición de equilibrio después de haber sufrido una perturbación. Es la forma que tiene el objeto de volver al equilibrio al cabo de un tiempo, mientras que la estabilidad estática que hemos visto es la capacidad INICIAL que tiene (pág 9).