Cada avión tiene características diferentes porque cada resiste o responde a las presiones de control a su manera. Por ejemplo, un avión de entrenamiento es rápido para responder a las aplicaciones en el control, mientras que un avión de transporte se siente pesado en el control y responde a las presiones más lentamente. 

Estas características se pueden diseñar en un avión para facilitar el propósito particular de la aeronave, considerando requisitos de estabilidad y maniobra. Los siguientes resumen los aspectos más importantes de una estabilidad, maniobrabilidad y controlabilidad de la aeronave cualidades; cómo se analizan; y su relación con diversas condiciones de vuelo.

Estabilidad en un avión

La estabilidad es la cualidad inherente de una aeronave para corregir las condiciones que pueden perturbar su equilibrio y para regresar o continuar en la trayectoria de vuelo original. Es principalmente una característica del diseño del avión. Las trayectorias y actitudes de vuelo de una aeronave están limitadas por las características aerodinámicas de la aeronave, su sistema de propulsión y su resistencia estructural.

Estas limitaciones indican el máximo rendimiento y maniobrabilidad de la aeronave. Si la aeronave va a proporcionar la máxima utilidad, debe ser controlable con seguridad hasta el máximo de estos límites sin exceder la fuerza del piloto o requerir una capacidad de vuelo excepcional. Si una aeronave ha de volar recta y firme a lo largo de cualquier trayectoria de vuelo arbitraria, las fuerzas que actúan sobre ella deben estar en equilibrio estático. La reacción de cualquier cuerpo cuando se altera su equilibrio se conoce como estabilidad. Los dos tipos de estabilidad son estáticos y dinámicos.

Estabilidad estática en un avión

La estabilidad estática se refiere a la tendencia inicial, o dirección del movimiento, de regreso al equilibrio. En aviación, se refiere a la respuesta inicial de la aeronave cuando es perturbada por un lanzamiento dado, guiñada o banco.

- Estabilidad estática positiva: la tendencia inicial de la aeronave a volver al estado de equilibrio original después de ser perturbada. 

- Estabilidad estática neutral: la tendencia inicial de la aeronave a permanecer en una nueva condición después de que su equilibrio ha sido perturbado.

- Estabilidad estática negativa: la tendencia inicial de la aeronave a continuar alejándose del estado de equilibrio original después de ser perturbada.

Estabilidad dinámica en un avión

La estabilidad estática se ha definido como la tendencia inicial a volver al equilibrio que la aeronave muestra después de ser perturbada por su condición recortada. Ocasionalmente, la tendencia inicial es diferente u opuesta a la tendencia general, por lo que debe hacerse una distinción entre los dos.

La estabilidad dinámica se refiere a la respuesta de la aeronave a lo largo del tiempo cuando se la perturba desde un determinado ángulo, guiñada o banco. Este tipo de estabilidad también tiene tres subtipos:

- Estabilidad dinámica positiva: Con el tiempo, el movimiento del objeto desplazado disminuye en amplitud y, debido a que es positivo, el objeto desplazado retorna hacia el estado de equilibrio.

- Estabilidad dinámica neutra: Una vez desplazado, el objeto desplazado no disminuye ni aumenta su amplitud. Un amortiguador de automóvil desgastado es un ejemplo de esta tendencia.

- Estabilidad dinámica negativa: Con el tiempo, el movimiento del objeto desplazado aumenta y se vuelve más divergente.

La estabilidad en una aeronave afecta significativamente a dos áreas:

- Maniobrabilidad: La calidad de un avión que permite maniobrarlo fácilmente y soportar las tensiones impuestas por las maniobras. Se rige por el peso de la aeronave, la inercia, el tamaño y la ubicación de los controles de vuelo, la fuerza estructural y el motor. También es una característica del diseño del avión.

- Controlabilidad: La capacidad de una aeronave para responder al control del piloto, especialmente con respecto a la trayectoria y actitud de vuelo. Es la calidad de la respuesta del avión a la aplicación de control del piloto al maniobrar el avión, independientemente de sus características de estabilidad.

Estabilidad longitudinal / Pitching en un avión

En el diseño de un avión, un gran esfuerzo se realiza en el desarrollo del grado deseado de estabilidad en torno a los tres ejes. Pero la estabilidad longitudinal sobre el eje lateral se considera la más afectada por ciertas variables en diversas condiciones de vuelo.

La estabilidad longitudinal es la calidad que hace que un avión sea estable alrededor de su eje lateral. Implica el movimiento de Pitching a medida que la nariz del avión se mueve hacia arriba y hacia abajo en vuelo. Un avión longitudinalmente inestable tiene una tendencia a bucear o subir progresivamente en una inmersión muy empinada o subir, o incluso un puesto. Por lo tanto, un avión con inestabilidad longitudinal se vuelve difícil y a veces peligroso para volar.

Estabilidad longitudinal estática, o inestabilidad en una aeronave, depende de tres factores:

- Ubicación del ala con respecto al CG (centro de gravedad).

- Ubicación de las superficies horizontales de la cola con respecto al CG (centro de gravedad).

- Área o tamaño de las superficies de cola.

Al analizar la estabilidad, debe recordarse que un cuerpo libre para rotar siempre gira alrededor de su CG (centro de gravedad).

Para obtener la estabilidad longitudinal estática, la relación de los momentos del ala y la cola debe ser tal que, si los momentos están inicialmente equilibrados y la aeronave esta repentinamente nariz hacia arriba, los momentos del ala y los momentos de la cola cambian de modo que la suma de sus fuerzas proporciona un momento desequilibrado pero restaurador que, alternadamente, trae la nariz abajo otra vez. Del mismo modo, si el avión esta con la nariz hacia abajo, el cambio resultante en momentos trae la nariz hacia arriba.

El Centro de Sustentación (Center of Lift o CL) en la mayoría de las superficies aerodinámicas asimétricas tiene una tendencia a cambiar sus posiciones de proa y popa con un cambio en el AOA (ángulo de ataque). El CL tiende a avanzar con un aumento en el AOA  y a moverse a popa con una disminución en el AOA. 

Esto significa que cuando se aumenta el AOA de una superficie aerodinámica, el CL, al moverse hacia adelante, tiende a levantar aún más el borde de ataque del ala. Esta tendencia le da al ala una cualidad inherente de inestabilidad. 

NOTA: CL (Center of Lift) también se conoce como el centro de presión (CP o center of pressure).

La mayoría de los aviones están diseñados para que el CL del ala esté en la parte trasera del CG. Esto hace que el avión este con nariz pesada (nose heavy) y requiere que haya una ligera fuerza hacia abajo en el estabilizador horizontal con el fin de equilibrar el avión y evitar que la nariz continuamente haga un pitching hacia abajo. La compensación para esta pesadez de la nariz se proporciona mediante el ajuste del estabilizador horizontal en un AOA ligeramente negativo. La fuerza descendente así producida sostiene la cola hacia abajo, contrarrestando la nariz "pesada" (nose heavy).

Es como si la línea CG-CL-T fuera una palanca (lever) con una fuerza ascendente en CL y dos fuerzas descendentes que se equilibran entre sí, una fuerza fuerte en el punto CG (centro de gravedad) y la otra, una fuerza mucho menor, en el punto T (presión de aire descendente en el estabilizador). Para visualizar mejor este principio de la física: Si una barra de hierro estuviera suspendida en el punto CL, con un peso pesado colgando de ella en el CG, se necesitaría presión hacia abajo en el punto T para mantener la "palanca (lever)" en equilibrio.

A pesar de que el estabilizador horizontal puede estar nivelado cuando el avión está en vuelo nivelado, hay una caída de aire de las alas. Este downwash golpea la parte superior del estabilizador y produce una presión hacia abajo, que a una cierta velocidad es suficiente para equilibrar la "palanca." Cuanto más rápido vuele el avión, mayor será este descenso y mayor será la fuerza descendente sobre el estabilizador horizontal (excepto las colas en T). 

En aeronaves con estabilizadores horizontales de posición fija, el fabricante de la aeronave establece el estabilizador en un ángulo que proporciona la mejor estabilidad (o equilibrio) durante el vuelo a la velocidad de crucero de diseño  y ajuste de potencia.

Esto coloca al avión en una actitud de nariz baja, disminuyendo el AOA (ángulo de ataque) del ala y la resistencia y permitiendo que la velocidad aérea aumente. A medida que el avión continúa en la actitud de nose-low y su velocidad aumenta, la fuerza hacia abajo en el estabilizador horizontal se incrementa una vez más. En consecuencia, la cola se vuelve a empujar hacia abajo y la nariz se eleva en una actitud de climbing.

A medida que esta subida continúa, la velocidad del aire disminuye de nuevo, causando que la fuerza hacia abajo en la cola disminuya hasta que la nariz baje una vez más. Debido a que el avión es dinámicamente estable, la nariz no baja tanto como antes. El avión adquiere suficiente velocidad en esta inmersión más gradual para iniciarla en otra subida, pero la subida no es tan pronunciada como la anterior.

Después de varias de estas oscilaciones decrecientes, en las que la nariz sube y baja alternativamente, la aeronave finalmente se establece a una velocidad a la que la fuerza hacia abajo en la cola contrarresta exactamente la tendencia de la aeronave a bucear. Cuando se alcanza esta condición, la aeronave vuelve a estar en vuelo equilibrado y continúa en vuelo estabilizado, siempre que esta actitud y velocidad aérea no cambien.

Un efecto similar se observa al cerrar el acelerador. El downwash de las alas se reduce y la fuerza en T en la imagen no es suficiente para mantener el estabilizador horizontal hacia abajo. Parece como si la fuerza en T en la palanca (lever) estuviera permitiendo que la fuerza de la gravedad tire de la nariz hacia abajo. Esta es una característica deseable porque el avión está tratando inherentemente de recuperar la velocidad del aire y restablecer el equilibrio adecuado.

El poder o empuje (thrust) también puede tener un efecto desestabilizador en el sentido de que un aumento de poder puede tender a hacer que la nariz se levante. El diseñador de la aeronave puede compensar esto estableciendo una "línea de empuje alto (high thrust line)" donde la línea de empuje pasa por encima del CG (centro de gravedad).

Por otro lado, una línea de empuje bajo (low thrust line) tendería a añadir al efecto de nariz hacia arriba (nose-up effect) de la superficie horizontal de la cola. 

Conclusión: con CG por delante del CL y con una fuerza aerodinámica de cola hacia abajo, el avión generalmente intenta regresar a una actitud de vuelo segura.

Lo anterior es una simple demostración de estabilidad longitudinal. Situación imaginaria donde el avión para el control "hands off" en vuelo nivelado. Luego, momentáneamente dar a los controles un ligero empujón a la nariz de la aeronave hacia abajo. Si, dentro de un breve período, la nariz se eleva hacia la posición original, la aeronave es estáticamente estable. Normalmente, la nariz pasa por la posición original (la del vuelo nivelado) y sigue una serie de oscilaciones de lanzamiento lentas. 

Si las oscilaciones cesan gradualmente, la aeronave tiene estabilidad positiva; si continúan de manera irregular, la aeronave tiene estabilidad neutral; si aumentan, la aeronave es inestable.

Estabilidad lateral / Rolling en un avión

La estabilidad sobre el eje longitudinal de la aeronave, que se extiende desde la nariz de la aeronave hasta su cola, se llama estabilidad lateral. La estabilidad lateral positiva ayuda a estabilizar el efecto lateral o "rolling" cuando un ala se pone más baja que el ala en el lado opuesto de la aeronave. Hay cuatro factores de diseño principales que hacen que un avión lateralmente estable: diedro (dihedral) , barrido (sweepback) , efecto keel y distribución de peso.

Diedro o Dihedral

Algunos aviones están diseñados para que las puntas exteriores de las alas sean más altas que las raíces de las alas (wing roots). El ángulo ascendente así formado por las alas se llama diedro. Cuando una ráfaga causa un roll, resultará un deslizamiento lateral. Este deslizamiento lateral hace que el viento relativo que afecta a todo el avión sea desde la dirección del deslizamiento. Cuando el viento relativo viene del lado, el ala que se desliza en el viento está sujeta a un aumento en el AOA (ángulo de ataque) y desarrolla un aumento en la elevación. 

El ala lejos del viento está sujeta a una disminución en el ángulo de ataque, y desarrolla una disminución en la elevación. Los cambios en el efecto de elevación un momento de rolling que tiende a elevar el ala de windward, por lo tanto diedro contribuye a un roll estable debido a deslizamiento lateral (sideslip). 

Barrido o Sweepback y ubicación del ala

Muchos aspectos de la configuración de un avión pueden afectar a su diedro efectivo, pero dos componentes principales son el barrido del ala y la ubicación del ala con respecto al fuselaje (como un ala baja o ala alta). Como estimación aproximada, 10° de barrido (Sweepback) en un ala proporciona aproximadamente 1° de diedro  efectivo, mientras que una configuración de ala alta puede proporcionar alrededor de 5° de diedro efectivo sobre una configuración de ala baja.

Un ala en flecha es aquella en la que el borde delantero se inclina hacia atrás. Cuando una perturbación hace que un avión con barrido (Sweepback) se resbale o caiga un ala, el ala baja presenta su borde delantero en un ángulo que es más perpendicular al flujo de aire relativo. Como resultado, el ala baja adquiere más elevación, se eleva, y el avión se restaura a su actitud de vuelo original.

Efecto Keel and Distribución de peso en un avión

Un avión de ala alta siempre tiene la tendencia de girar el eje longitudinal de la aeronave en el viento relativo, que se refiere a menudo como el efecto keel (quilla). Estos aviones son estables lateralmente, simplemente porque las alas están unidas en un posición alta en el fuselaje, haciendo que el fuselaje se comporte como una quilla (keel) ejerciendo una influencia estabilizadora en la aeronave lateralmente sobre el eje longitudinal. Cuando un avión de alas altas es perturbado y un ala se sumerge, el peso del fuselaje actúa como un péndulo que devuelve el avión al nivel horizontal.

Los aviones lateralmente estables se construyen de manera que la mayor parte del área de la quilla está por encima del CG (centro de gravedad). Así, cuando el avión se desliza a un lado, la combinación del peso del avión y la presión del flujo de aire contra la parte superior del área de la quilla (ambos actuando sobre el CG) tiende a hacer rodar el avión de vuelta a vuelo a nivel de alas.

Estabilidad direccional / Yawing en un avión

La estabilidad sobre el eje vertical de la aeronave (el momento lateral) se denomina yawing o estabilidad direccional. La estabilidad de giro o direccional es la estabilidad más fácil de lograr en el diseño de aeronaves. El área de la aleta vertical y los lados del fuselaje a popa del CG (centro de gravedad) son los principales contribuyentes que hacen que el avión actúe como la veleta o flecha meteorológica bien conocida, apuntando su nariz hacia el viento relativo.

Al observar una veleta (weather vane), se puede ver que si exactamente la misma cantidad de superficie estuviera expuesta al viento delante del punto de pivote como detrás de él, las fuerzas de proa y popa estarían en equilibrio y poco o ningún movimiento direccional resultaría. En consecuencia, es necesario tener una mayor superficie a popa del punto de pivote que hacia delante de él.

Del mismo modo, el diseñador de la aeronave debe garantizar una estabilidad direccional positiva haciendo que la superficie lateral sea mayor en popa que por delante del CG.  Para proporcionar estabilidad positiva adicional a la proporcionada por el fuselaje, se añade una aleta vertical (vertical fin). La aleta actúa similar a la pluma de una flecha en el mantenimiento de vuelo recto. Al igual que la veleta y la flecha, cuanto más a popa se coloca esta aleta y cuanto mayor es su tamaño, mayor estabilidad direccional del avión.

Si una aeronave está volando en línea recta, y una ráfaga de aire golpea hacia los lados da a la aeronave una ligera rotación alrededor de su eje vertical (es decir, la derecha), el movimiento se retrasa y se detiene por la aleta, porque mientras que la aeronave está girando a la derecha, el aire golpea el lado izquierdo de la aleta en un ángulo. Esto causa presión en el lado izquierdo de la aleta, que resiste el movimiento de giro y ralentiza la guiñada (yaw) del avión.

Al hacerlo, actúa un poco como la veleta haciendo que el avión se convierta en el viento relativo. El cambio inicial en la dirección de la trayectoria de vuelo de la aeronave está generalmente y ligeramente por detrás de su cambio de rumbo. Por lo tanto, después de un ligero guiño de la aeronave a la derecha, hay un breve momento en que la aeronave todavía se mueve a lo largo de su trayectoria original, pero su eje longitudinal se señala ligeramente a la derecha.

El avión se desliza momentáneamente hacia los lados y, durante ese momento (ya que se asume que aunque el movimiento de guiñada se ha detenido, el exceso de presión en el lado izquierdo de la aleta todavía persiste), hay necesariamente una tendencia a que el avión se vuelva parcialmente hacia la izquierda. Es decir, hay una tendencia momentánea de restauración causada por la aleta.

Esta tendencia de restauración es relativamente lenta en el desarrollo y cesa cuando el avión deja de patinar. Cuando cesa, el avión está volando en una dirección ligeramente diferente de la dirección original. En otras palabras, no volverá por su propia voluntad al título original; el piloto debe restablecer la situación inicial.

Se puede obtener una mejora menor de la estabilidad direccional mediante barrido (sweepback). El sweepback se incorpora en el diseño del ala principalmente para retrasar el inicio de la compresibilidad durante el vuelo de alta velocidad. En aviones más ligeros y más lentos, el sweepback ayuda a localizar el centro de presión en la relación correcta con el CG (centro de gravedad). Un avión longitudinalmente estable se construye con el centro de presión a popa del CG.

Debido a razones estructurales, los diseñadores de aeronaves a veces no pueden unir las alas al fuselaje en el punto exacto deseado. Si tuvieran que montar las alas demasiado hacia adelante, y en ángulo recto con el fuselaje, el centro de presión (CP) no estaría lo suficientemente lejos para la parte trasera como para resultar en la cantidad deseada de estabilidad longitudinal. Al construir barrido en las alas, sin embargo, los diseñadores pueden mover el centro de presión hacia la parte trasera. La cantidad de sweepback (barrido) y la posición de las alas colocan el centro de presión en la ubicación correcta.

Cuando la aplicación de turbulencia o rudder hace que la aeronave se desvíe hacia un lado, el ala opuesta presenta un borde delantero más largo perpendicular al flujo de aire relativo. La velocidad aérea (airspeed) del ala delantera aumenta y adquiere más resistencia que el ala trasera. La resistencia adicional en el ala delantera tira del ala hacia atrás, haciendo que el avión vuelva a su trayectoria original.

La contribución del ala a la estabilidad direccional estática suele ser pequeña. El ala en flecha proporciona una contribución estable dependiendo de la cantidad de sweepback, pero la contribución es relativamente pequeña en comparación con otros componentes.

Oscilaciones de dirección libre / Dutch Roll en un avión

Dutch roll es una oscilación lateral/direccional acoplada que suele ser dinámicamente estable pero no es segura en un avión debido a su naturaleza oscilatoria. La amortiguación del modo oscilatorio puede ser débil o fuerte dependiendo de las propiedades de la aeronave en particular.

Si el avión tiene un ala derecha empujada hacia abajo, el positivo ángulo de deslizamiento lateral corrige el ala lateralmente antes de que la nariz es realineado con el viento relativo. Como el ala corrige la posición, una oscilación direccional lateral puede ocurrir dando lugar a la nariz de la aeronave haciendo una figura de ocho en el horizonte como resultado de dos oscilaciones "giro y guiñada (roll y yaw)", que, aunque de Casi la misma magnitud, están fuera de fase entre sí.

En la mayoría de los aviones modernos, excepto los diseños de ala en flecha de alta velocidad, estas oscilaciones direccionales libres generalmente se extinguen automáticamente en muy pocos ciclos a menos que el aire siga siendo gustoso o turbulento. Los aviones con tendencias continuas de giro holandés suelen estar equipados con amortiguadores de guiñada estabilizados. Los fabricantes tratan de alcanzar un punto medio entre demasiada y muy poca estabilidad direccional. Debido a que es más deseable que el avión tenga "inestabilidad espiral" que las tendencias holandesas, la mayoría de los aviones están diseñados con esa característica.

Inestabilidad espiral en un avión

La inestabilidad espiral existe cuando la estabilidad direccional estática de la aeronave es muy fuerte en comparación con el efecto de su diedro en el mantenimiento del equilibrio lateral. Cuando el equilibrio lateral de la aeronave es perturbado por una ráfaga de aire y se introduce un deslizamiento lateral, la fuerte estabilidad direccional tiende a desviar la nariz hacia el viento relativo resultante, mientras que los rezagos diedro comparativamente débiles en la restauración del equilibrio lateral.

Debido a este guiño, el ala en el exterior del momento de giro viaja hacia adelante más rápido que el ala interior y, como consecuencia, su elevación se convierte en mayor. Esto produce una tendencia a la sobre banca (overbanking) que, si no es corregida por el piloto, hace que el ángulo del banco se vuelva cada vez más empinado. Al mismo tiempo, la fuerte estabilidad direccional que hace girar la aeronave contra el viento relativo está forzando a la nariz a una actitud de tono más bajo. 

Una espiral descendente lenta comienza, y si no es contrarrestada por el piloto, aumenta gradualmente en una inmersión espiral empinada. Por lo general, la tasa de divergencia en el movimiento espiral es tan gradual que el piloto puede controlar la tendencia sin ninguna dificultad.

Muchas aeronaves se ven afectadas hasta cierto punto por esta característica, aunque pueden ser inherentemente estables en todos los demás parámetros normales. Esta tendencia explica por qué un avión no puede volar "sin manos (hands off)" indefinidamente.

Se ha investigado mucho en el desarrollo de dispositivos de control (nivelador de alas o wing leveler) para corregir o eliminar esta inestabilidad. El piloto debe ser cuidadoso en la aplicación de los controles de recuperación durante las etapas avanzadas de esta condición espiral o se pueden imponer cargas excesivas en la estructura. La recuperación inadecuada de la inestabilidad espiral que conduce a fallas estructurales de vuelo probablemente ha contribuido a más muertes en aviones de aviación general que cualquier otro factor.

Dado que la velocidad del aire (airspeed) en la condición de espiral se acumula rápidamente, la aplicación de la fuerza del elevador trasero para reducir esta velocidad y tirar de la nariz hacia arriba sólo "tightens the turn", aumentando el factor de carga. Los resultados de la espiral descontrolada prolongada son fallas estructurales a bordo, chocando contra el suelo, o ambos. Las causas registradas comunes para los pilotos que entran en esta situación son la pérdida de referencia del horizonte, la incapacidad de controlar la aeronave por referencia a instrumentos, o una combinación de ambos.