Fuerzas aerodinámicas en maniobras de vuelo (Aerodynamic forces in flight maneuvers)

Si un avión es visto en vuelo recto y nivelado desde el frente y si las fuerzas que actuaban en el avión podían ser vistas, la elevación y el peso serían aparentes: dos fuerzas. Si el avión estuviera en un banqueo, sería evidente que el elevador no actuaba directamente opuesto al peso, sino que ahora actuaba en la dirección del banqueo. Una verdad básica acerca de las curvas es que cuando la aeronave se dobla, la elevación actúa hacia adentro hacia el centro de la curva, perpendicular al eje lateral, así como hacia arriba.

La Primera Ley del Movimiento de Newton, la Ley de la Inercia, establece que un objeto en reposo o moviéndose en una línea recta permanece en reposo o continúa moviéndose en una línea recta hasta que es actuado por alguna otra fuerza. Un avión, como cualquier objeto en movimiento, requiere una fuerza lateral para hacer que gire. En un giro normal, esta fuerza es suministrada por el banqueo de la aeronave para que el ascensor se ejerce hacia adentro, así como hacia arriba. La fuerza de elevación durante una vuelta se separa en dos componentes perpendiculares entre sí.

Un componente, que actúa verticalmente y opuesto al peso (gravedad), se llama el "componente vertical de la elevación." El otro, que actúa horizontalmente hacia el centro del giro, se llama "componente horizontal de elevación" o fuerza centrípeta. El componente horizontal de la elevación es la fuerza que tira de la aeronave de una trayectoria de vuelo recta para hacerla girar. 

La fuerza centrífuga es la "reacción igual y opuesta" de la aeronave al cambio de dirección y actúa igual y opuesto a la componente horizontal de elevación. Esto explica por qué, en un giro ejecutado correctamente, la fuerza que gira la aeronave no es suministrada por el timón. El timón se utiliza para corregir cualquier desviación entre la vía recta de la nariz y la cola de la aeronave en el viento relativo.

Un buen giro es aquel en el que la nariz y la cola del avión siguen el mismo camino. Si no se utiliza ningún timón en una curva, la nariz de la aeronave se mueve hacia el exterior de la curva. El timón se utiliza rodando en la curva para poner la nariz de nuevo en línea con el viento relativo. Una vez en la curva, el timón no debe ser necesario.

Un avión no es dirigido como un barco o un automóvil. Para que un avión gire, debe ser apuntado. Si no está en el banqueo, no hay fuerza disponible para hacer que se desvíe de una trayectoria de vuelo recta. Por el contrario, cuando un avión está en bancarrota, gira a condición de que no se deslice hacia el interior de la curva. Un buen control direccional se basa en el hecho de que el avión intenta girar cada vez que está apuntado. Los pilotos deben tener este hecho en cuenta al intentar mantener la aeronave en vuelo recto y nivelado.

La acumulación de la aeronave en un giro no produce ningún cambio en la cantidad total de ascensor desarrollado. Dado que el elevador durante el banqueo se divide en componentes verticales y horizontales, la cantidad de elevación de gravedad opuesta y el apoyo del peso de la aeronave se reduce. En consecuencia, el avión pierde altitud a menos que se cree una elevación adicional. Esto se hace aumentando el AOA  (Angulo de ataque) hasta que el componente vertical de la elevación sea de nuevo igual al peso.

Dado que el componente vertical del elevador disminuye a medida que aumenta el ángulo de inclinación, el AOA debe incrementarse progresivamente para producir suficiente elevación vertical para soportar el peso de la aeronave. Un hecho importante que los pilotos deben recordar al hacer giros constantes de altitud es que el componente vertical de la elevación debe ser igual al peso para mantener la altitud.

A una velocidad aérea determinada, la velocidad a la que gira un avión depende de la magnitud del componente horizontal de elevación. Se encuentra que la componente horizontal del elevador es proporcional al ángulo del banqueo, es decir, aumenta o disminuye respectivamente a medida que el ángulo del banqueo aumenta o disminuye. A medida que el ángulo del banqueo se incrementa, el componente horizontal del elevador aumenta, aumentando así la velocidad de giro (rate of turn o ROT). En consecuencia, a cualquier velocidad dada, el ROT se puede controlar ajustando el ángulo de banqueo.

Para proporcionar un componente vertical de elevación suficiente para mantener la altitud en un giro nivelado, se requiere un aumento en el AOA. Dado que la resistencia de la superficie aerodinámica es directamente proporcional a su AOA, la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta la elevación. Esto, a su vez, causa una pérdida de velocidad en proporción al ángulo de banqueo. 

Un pequeño ángulo de banqueo resulta en una pequeña reducción de la velocidad del aire, mientras que un gran ángulo de banqueo resulta en una gran reducción de la velocidad del aire. Se debe aplicar empuje adicional (potencia) para evitar una reducción de la velocidad del aire en giros de nivel. La cantidad necesaria de empuje adicional es proporcional al ángulo de banqueo.

Para compensar la elevación añadida, que resultaría si la velocidad del aire se incrementó durante un vuelo, el AOA debe ser disminuido, o el ángulo de banqueo aumentado, si una constante altitud debe mantenerse. Si el ángulo de banqueo se mantiene constante y el AOA disminuido, el ROT disminuye. En orden para mantener un ROT constante a medida que aumenta la velocidad del aire, el La AOA debe permanecer constante y el ángulo de banqueo aumentado.

Un aumento en la velocidad del aire resulta en un aumento del radio de giro, y la fuerza centrífuga es directamente proporcional al radio de giro. En un giro ejecutado correctamente, la componente horizontal del elevador debe ser exactamente igual y opuesta a la fuerza centrífuga. A medida que la velocidad del aire se incrementa en un giro de velocidad constante, el radio del giro aumenta. Este aumento en el radio de giro provoca un aumento en la fuerza centrífuga, que debe ser equilibrada por un aumento en la componente horizontal de elevación, que sólo puede ser aumentado por el aumento del ángulo de banqueo.

En un giro de deslizamiento, el avión no gira a la velocidad apropiada para el banco que se utiliza, ya que el avión se inclina hacia el exterior de la trayectoria de vuelo de giro. El avión se reserva demasiado para el ROT, por lo que el componente de elevación horizontal es mayor que la fuerza centrífuga. El equilibrio entre el componente de elevación horizontal y la fuerza centrífuga se restablece disminuyendo el banqueo, aumentando el ROT, o una combinación de los dos cambios.

Un giro de derrape (skidding turn) resulta de un exceso de fuerza centrífuga sobre el componente de elevación horizontal, tirando de la aeronave hacia el exterior del giro. El ROT es demasiado grande para el ángulo de banqueo. La corrección de un giro de derrape implica, por lo tanto, una reducción del ROT, un aumento en el banqueo, o una combinación de los dos cambios.

Para mantener un ROT o rate of turn dado, el ángulo de banqueo debe ser variado con la velocidad del aire. Esto se vuelve particularmente importante en los aviones de alta velocidad. Por ejemplo, a 400 millas por hora (mph), un avión debe ser apuntalado aproximadamente 44° para ejecutar un giro de velocidad estándar (3° por segundo). En este ángulo de banqueo, sólo alrededor del 79 por ciento de la elevación de la aeronave comprende el componente vertical de la elevación. Esto provoca una pérdida de altitud a menos que el AOA o ángulo de ataque se aumente lo suficiente para compensar la pérdida de elevación vertical.

Fuerzas de un avión en ascenso / Climbs

Para todos los propósitos prácticos, la elevación del ala en un estado normal de subida constante es la misma que en un vuelo a nivel constante a la misma velocidad aérea. Aunque la trayectoria de vuelo del avión cambió cuando se estableció el ascenso, el AOA del ala con respecto a la trayectoria de vuelo inclinada revierte a prácticamente los mismos valores, al igual que el ascensor. Durante la transición de un vuelo recto a un ascenso, se produce un cambio en la elevación cuando se aplica por primera vez la presión del elevador de espalda.

Elevar la nariz del avión aumenta el AOA y momentáneamente aumenta el ascenso. La sustentación en este momento es ahora mayor que el peso y comienza el ascenso del avión. Después de que la trayectoria de vuelo se estabiliza en la inclinación ascendente, el AOA y la elevación vuelven de nuevo a los valores de vuelo de nivel.

Si el ascenso se realiza sin cambios en el ajuste de potencia, la velocidad del aire disminuye gradualmente porque 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 está inclinada hacia arriba, un componente del peso de la aeronave actúa en la misma dirección y paralela a la resistencia total de la aeronave, aumentando así la resistencia total efectiva. En consecuencia, la resistencia total efectiva es mayor que la potencia, y la velocidad del aire disminuye.

La reducción de la velocidad del aire resulta gradualmente en una disminución correspondiente en la resistencia hasta que la resistencia total (incluyendo el componente de peso que actúa en la misma dirección) es igual al empuje. Debido al impulso, el cambio en la velocidad aérea es gradual, variando considerablemente con diferencias en el tamaño de la aeronave, peso, resistencia total y otros factores. En consecuencia, la resistencia total efectiva es mayor que el empuje, y la velocidad del aire disminuye.

Generalmente, las fuerzas de empuje y resistencia, y elevación y peso, se equilibran de nuevo cuando la velocidad del aire se estabiliza, pero en un valor inferior que en vuelo recto y nivelado en el mismo ajuste de potencia. Dado que el peso de la aeronave está actuando no sólo hacia abajo sino hacia atrás con resistencia mientras está en una subida, se requiere energía adicional para mantener la misma velocidad aérea que en vuelo nivelado. La cantidad de energía depende del ángulo de ascenso. Cuando la subida se establece lo suficientemente empinada que no hay suficiente potencia disponible, los resultados de una velocidad más lenta.

El empuje requerido para una subida estabilizada es igual a la resistencia más un porcentaje de peso dependiente del ángulo de subida. Por ejemplo, una subida de 10° requeriría empuje a igual resistencia más 17 por ciento de peso. Para subir recto requeriría empuje para igualar todo el peso y la resistencia. Por lo tanto, el ángulo de ascenso para el rendimiento de ascenso depende de la cantidad de exceso de empuje disponible para superar una porción de peso. Tenga en cuenta que los aviones son capaces de mantener una subida debido al exceso de empuje. Cuando el exceso de empuje se ha ido, el avión ya no es capaz de subir. En este punto, el avión ha alcanzado su "techo absoluto (absolute ceiling)."

Fuerzas de un avión en descenso

Al igual que en los ascensos, las fuerzas que actúan en el avión pasan por cambios definidos cuando se introduce un descenso de vuelo recto y nivelado. Para el siguiente ejemplo, la aeronave desciende a la misma potencia que se utiliza en vuelo recto y a nivel.

A medida que la presión hacia adelante se aplica el yoke de control para iniciar el descenso, el AOA se reduce momentáneamente. Inicialmente, el impulso de la aeronave hace que la aeronave continúe brevemente a lo largo de la misma trayectoria de vuelo. Para este instante, el AOA disminuye causando que la elevación total disminuya. Con el peso ahora que es mayor que la elevación, el avión comienza a descender. Al mismo tiempo, la trayectoria de vuelo va desde el nivel a una trayectoria de vuelo descendente. No confunda una reducción en la elevación con la incapacidad de generar suficiente elevación para mantener el vuelo nivelado. La trayectoria de vuelo está siendo manipulada con empuje disponible en reserva y con el ascensor.

Para descender a la misma velocidad que se utiliza en vuelo recto y nivelado, la potencia debe reducirse a medida que se introduce el descenso. Al entrar en el descenso, el componente de peso que actúa hacia adelante a lo largo de la trayectoria de vuelo aumenta a medida que aumenta el ángulo de descenso y, a la inversa, al estabilizarse, el componente de peso que actúa a lo largo de la trayectoria de vuelo disminuye a medida que disminuye el ángulo de descenso.

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Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge - FAA-H-8083-25B) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.