Las cuatro fuerzas del vuelo
Durante muchos años inventores y científicos trataron de comprender los principios básicos del vuelo, y los expertos aún siguen debatiendo los detalles de la aerodinámica. Los pilotos necesitan comprender unos cuantos conceptos fundamentales, comenzando por las cuatro fuerzas que afectan al vuelo: sustentación, peso, empuje y resistencia.
Estas cuatro fuerzas actúan en pares. La sustentación (la suma de todas las fuerzas hacia arriba) es la fuerza opuesta al peso (la suma de todas las fuerzas hacia abajo). Igualmente, el empuje (la fuerza que empuja hacia delante) es la opuesta a la resistencia (la fuerza que empuja hacia atrás). Las fuerzas opuestas se equilibran entre sí para conseguir un vuelo estable. Los vuelos estables incluyen vuelos equilibrados y nivelados, y ascensos o descensos a una velocidad fija y a velocidades aerodinámicas constantes. Se puede asumir que las cuatro fuerzas actúan a través de un punto único denominado centro de gravedad (CG).
Sustentación
La sustentación es la fuerza que hace volar a un aeroplano. La mayor parte de la sustentación de un aeroplano procede de sus alas. La sustentación que genera un ala se controla mediante el ajuste de la velocidad aerodinámica y el ángulo de ataque (ADA), es decir, el ángulo en que el ala se encuentra con el viento de frente. En general, a medida que aumenta la velocidad aerodinámica o el ángulo de ataque de un avión, se incrementa la sustentación generada por las alas. Según va aumentando la velocidad del avión, debe reducir el ángulo de ataque (bajar el morro ligeramente) para mantener una altitud constante. Asimismo, a medida que disminuye la velocidad, debe aumentar el ángulo de ataque (subir el morro ligeramente) para generar mayor sustentación y mantener la altitud.
Recuerde que, incluso en un ascenso o descenso, la sustentación se iguala al peso. El índice de ascenso o descenso de un avión está relacionado principalmente con el empuje generado por sus motores, no por la sustentación generada por las alas.
Peso
El peso se opone a la sustentación. En la práctica, se puede entender que el peso actúa siempre sobre una línea situada entre el centro de gravedad del avión y el centro de la tierra.
En principio, se puede pensar que el peso sólo cambia a medida que se consume el combustible. De hecho, a medida que un avión maniobra, experimenta variaciones en el factor de carga, o fuerzas G, que cambia la carga que soportan las alas. Por ejemplo, un avión que realiza un giro nivelado con un ladeo de 60 grados experimenta un factor de carga de 2. Si ese avión pesa 2000 lb (907 kg) en estado de reposo en tierra, su peso efectivo se convierte en 4000 lb (1814 kg) durante ese giro.
Para mantener el equilibrio entre la sustentación y el peso en las maniobras, debe ajustar el ángulo de ataque. Durante un giro con ladeo cerrado, por ejemplo, debe levantar el morro ligeramente (aumentar el ángulo de ataque) para generar mayor sustentación y así equilibrar el aumento de peso.
Empuje
El empuje que proporciona la potencia del avión es el que lo propulsa por el aire. El empuje es la fuerza opuesta a la resistencia y, en los vuelos estables, estas dos fuerzas son iguales. Si se aumenta el empuje y se mantiene la altitud, el primero supera de forma momentánea la resistencia y el avión acelera. Sin embargo, la resistencia también aumenta y enseguida vuelve a equilibrar el empuje. El avión deja de acelerar y continúa el vuelo estable a una velocidad aerodinámica mayor, pero constante.
El empuje también es el factor más importante a la hora de determinar la posibilidad de ascenso del avión. De hecho, la velocidad de ascenso máxima de un avión no está relacionada con la fuerza de sustentación que generan las alas, sino con la cantidad de potencia disponible por encima de la necesaria para mantener el vuelo nivelado.
Resistencia
Los aviones se ven afectados por dos tipos de resistencia. La resistencia parásita es la fricción entre el aire y la estructura de un avión (tren de aterrizaje, montantes, antenas y demás). Esta resistencia aumenta de manera proporcional al cuadrado de la velocidad del avión. Si se dobla la velocidad aerodinámica, se cuadruplica la resistencia parásita.
La resistencia inducida es una consecuencia de la sustentación. Se genera por el desplazamiento del aire desde el área de alta presión situada bajo un ala hacia el área de baja presión situada sobre ella. Este efecto es más pronunciado a velocidades aerodinámicas bajas, donde es necesario un ángulo de ataque alto para generar sustentación suficiente para equilibrar el peso. De hecho, la resistencia inducida varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica. Si reduce la velocidad aerodinámica a la mitad, la resistencia inducida aumenta cuatro veces.
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Una acción de equilibrio
Si realiza algunos experimentos en Flight Simulator podrá observar la relación entre las cuatro fuerzas. Pilote el Cessna Skyhawk SP Model 172 en un vuelo estable y nivelado, y aumente la potencia sin mover los controles de vuelo. Al principio, la velocidad aerodinámica aumenta y el morro cabecea hacia arriba. Sin embargo, pronto se detiene la aceleración del avión y la velocidad aerodinámica recupera aproximadamente el mismo valor original. Observe que, debido al aumento de potencia, el avión asciende a una velocidad estable. Disminuya la potencia a un valor inferior al original; la velocidad aerodinámica se sitúa de forma temporal cerca del valor original, pero el avión desciende a una velocidad estable.
Los ejes de vuelo
Todos los aviones giran sobre tres ejes: el eje longitudinal, el eje vertical y el eje lateral. En un avión, el movimiento sobre cada eje se controla por medio de una de las tres superficies de control principales.
Alerones, timón de dirección y timón de profundidad
Los pilotos utilizan los alerones para ladearse o girar sobre el eje longitudinal. El timón de dirección controla la guiñada sobre el eje vertical y el timón de profundidad controla el cabeceo sobre el eje lateral. Los tres ejes tienen el punto de intersección en el centro de gravedad. El uso coordinado y suave de los controles es lo que diferencia a los pilotos de los conductores de aviones. Los buenos pilotos combinan todos los controles de vuelo para conseguir un movimiento coordinado sobre los tres ejes.
Vuelo estable y nivelado
Volar de forma estable y nivelada puede parecer sencillo, pero en realidad es una de las maniobras de vuelo más difíciles de aprender. Como a los pilotos les gusta tener el control, la mayor parte del tiempo se exceden e interfieren en la estabilidad básica de su avión. Como si se tratara de un acto de equilibrio, el vuelo estable y nivelado requiere pequeñas correcciones para evitar la oscilación del avión.
Dividir y conquistar
Es recomendable dividir la tarea de establecer y mantener un vuelo estable y nivelado en dos partes: la primera consiste en mantener una altitud y una velocidad aerodinámica constantes. Para ello, es necesario que los pares de fuerzas opuestas (sustentación y peso, empuje y resistencia) estén equilibrados.
Mantener un rumbo constante
En esta tarea hay que controlar el indicador de rumbo y el coordinador de giro para mantener las alas niveladas, mantener el vuelo coordinado y corregir las pequeñas desviaciones en el rumbo.
Cabeceo + Potencia = Rendimiento
Por fortuna, existe una regla sencilla que facilita la primera tarea.
La ecuación básica "cabeceo + potencia = rendimiento" es una regla de oro para los pilotos. Significa simplemente que, si establece una posición de cabeceo específica y la potencia a un nivel constante, el avión volará a una velocidad aerodinámica determinada y mantendrá un vuelo nivelado, o bien ascenderá, o descenderá, a una velocidad constante.
Por ejemplo, para establecer una configuración de crucero típica a 3000 pies (915 metros) en el Skyhawk SP, ajuste el acelerador de modo que el motor mantenga una potencia de 2500 rpm. Para mantener un vuelo nivelado, ajuste la posición de cabeceo de modo que el avión en miniatura del indicador de actitud se mantenga nivelado con el horizonte. Al mirar por el parabrisas, la parte superior del tablero de instrumentos estará por debajo del horizonte real.
Si impide que el morro se levante o se baje y mantiene la potencia a 2500 RPM, el Skyhawk SP mantendrá la altitud y el vuelo de crucero en torno a 130 nudos de velocidad aerodinámica indicada.
Si el avión comienza a ganar o perder altitud, realice pequeñas correcciones en la actitud de cabeceo y ajuste la aleta de centrado del timón de profundidad para que el avión termine volando "sin manos".
Cómo mantenerlo recto
Es un poco más sencillo mantener un rumbo constante que mantener la altitud, pero aún así es necesario vigilar atentamente los instrumentos de vuelo. Consulte el indicador de rumbo con frecuencia, para asegurarse de que el morro apunta en la dirección adecuada.
Compruebe bien el coordinador de giro: si las alas del avión en miniatura están niveladas, el avión no está girando. Si no lo están, tendrá que aplicar una ligera presión en los alerones y el timón de dirección para nivelarlas y mantener un vuelo coordinado.
Giros
El avión gira porque parte de la sustentación que generan las alas le induce a girar, no porque el timón de dirección gire el morro a la izquierda o a la derecha. En teoría, podría hacer derrapar un avión mediante un giro con el timón de dirección, pero se trata de una forma ineficaz y poco cómoda de cambiar de dirección. Por esta razón, los aviones se ladean para girar.
El componente horizontal de la sustentación
El ladeo de las alas con los alerones desvía hacia un lado parte de la sustentación que generan las alas. Esta parte de la sustentación total del avión se denomina el componente horizontal de la sustentación. Ésta es la fuerza que empuja al avión en el giro.
Guiñada negativa
El ladeo de las alas cambia el ángulo de ataque de cada una de las alas. Además, la desviación de los alerones cambia la resistencia de cada ala. Estos dos factores crean una tendencia de guiñada en el avión opuesta al giro. Es decir, si se ladea a la izquierda, el morro del avión tiende a girar a la derecha.
Para compensar este efecto, denominado "guiñada negativa", debe aplicar presión en el timón de dirección en la misma dirección del giro. A medida que se ladea a la izquierda, debe presionar ligeramente el timón a la izquierda y viceversa.
Pérdida de sustentación
En un giro, parte de la sustentación se desvía hacia un lado, por lo que, para mantener la altitud, debe aumentar la sustentación total que generan las alas. Para ello, debe aumentar el ángulo de ataque, así que incremente un poco la presión en el timón de profundidad (tirando de la palanca hacia atrás) mientras realiza el giro. Cuando más cerrado sea el giro, más debe aumentar la presión del timón de profundidad. En giros cerrados de 45 grados o superiores, debe aumentar bastante la presión (y probablemente también la potencia) para mantener la altitud. No se olvide de volver a reducir la presión en la palanca cuando salga del giro.
Coordinador de giro
El coordinador de giro está formado en realidad por dos instrumentos. La parte del giroscopio muestra la velocidad de giro del avión; es decir, con qué velocidad cambia de dirección. La bola dentro del tubo, denominada "inclinómetro" o "indicador de resbalones y derrapes", muestra la calidad del giro; es decir, si es o no "coordinado".
Funcionamiento
Por lo general, el giroscopio del coordinador de giro se encuentra en un ángulo
de 30 grados. Cuando el avión gira, la fuerza hace que el giroscopio realice una
precesión. La velocidad de la precesión hace que un avión en miniatura situado
en la parte frontal del instrumento se ladee a la derecha o la izquierda. Cuanto
más rápido sea el giro, mayor será la precesión y más fuerte el ladeo de este
avión en miniatura.
Viraje a velocidad estándar
Cuando las alas del avión en miniatura se alinean con las pequeñas líneas que
hay junto a la "L" y la "R," eso significa que el avión está realizando un
viraje a velocidad estándar. Por ejemplo, un avión con una velocidad de giro
estándar de tres grados por segundo, completará un giro de 360 grados en dos
minutos.
Acción de equilibrio
La bola negra del indicador de resbalones o deslizamientos permanece entre las
dos líneas verticales de referencia cuando las fuerzas de un giro están
equilibradas y el avión realiza un vuelo coordinado. Si la bola baja hacia el
interior del viraje, eso significa que el avión está resbalando. Si se mueve
hacia el exterior del viraje, el avión está derrapando.
Para corregir un derrapaje
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Para corregir un resbalón
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La función de coordinación automática de Flight Simulator mueve el timón de dirección automáticamente para mantener el vuelo coordinado.
Ascensos
El avión asciende cuando su motor o motores generan más potencia (empuje) de la necesaria para mantener el vuelo nivelado a un peso y ángulo de ataque en particular. Los aviones no ascienden porque las alas generen más sustentación. Este punto puede parecer extraño, pero tiene sentido si recuerda que siempre que un avión está en vuelo estable como, por ejemplo, en un ascenso a una velocidad aerodinámica constante, la sustentación es igual al peso. Si la sustentación supera el peso durante el ascenso, el avión experimenta una aceleración ascensional.
Un arrastre estable
Durante un ascenso constante, el componente de sustentación que actúa verticalmente en dirección al suelo es, en realidad, ligeramente inferior al peso ya que, en actitud de ascenso, parte del vector de sustentación del avión se dirige hacia atrás, no hacia arriba. Por lo tanto, el ascenso se debe a que el vector de empuje mueve el avión en un ángulo. Imagine a alguien arrastrando un trineo montaña arriba y se hará una idea aproximada.
Más potencia
Si es la potencia la que determina la velocidad de ascenso, es obvio que es el acelerador, y no la palanca de mandos, el que sirve de control de subida y bajada principal de un avión. Cuando se tira hacia atrás de la palanca para aumentar la actitud de cabeceo del avión, generalmente se inicia el ascenso. Sin embargo, un aumento en la resistencia inducida contrarresta rápidamente el aumento de sustentación y el avión, que ha ganado un poco en altitud, se estabiliza en un vuelo nivelado con una velocidad aerodinámica inferior, o en un ascenso lento y a velocidad constante. Para establecer y mantener una velocidad de ascenso estable, debe existir un excedente de empuje y es necesario aumentar la potencia.
Descensos
Mucha gente supone que para descender hay que empujar hacia delante la palanca de mandos o el joystick para bajar el morro del avión. En realidad, para establecer un descenso estable a una velocidad aerodinámica constante, el piloto debe ajustar tanto el cabeceo como la potencia.
Es posible descender con el avión en posición nivelada o incluso morro arriba. Recuerde que si mantiene constante la actitud de cabeceo del avión, el empuje (potencia) determina si el avión mantiene la altitud, asciende o desciende. Si el motor genera más empuje del necesario para mantener el vuelo nivelado, el avión sube. Si reduce la potencia, desciende.
Como norma general, limite los descensos en aviones despresurizados a 500 pies/min (152 m/min) aproximadamente. Este ritmo permite que los oídos de los pasajeros se ajusten al cambio de presión durante el descenso.
Vuele durante un tiempo en los aviones de Flight Simulator para familiarizarse con el rendimiento que puede esperar con diferentes valores de potencia y de velocidad aerodinámica. Recuerde que cuanto menor sea la potencia, mayor será la velocidad de descenso. Practique también la interrupción del descenso mediante el aumento gradual de la potencia.
Funcionamiento de las alas
Son las alas, no los motores, las que hacen que un avión vuele. Aunque las alas pueden tener muchas formas, generan la sustentación al dividir el aire que sopla en ellas, lo que se denomina viento relativo. El aire que sopla en el ala mantiene su presión ambiental. El aire que sopla por encima de la superficie superior curvada acelera y, debido a varios factores, incluyendo el principio de Bernoulli, baja de presión. La diferencia entre la presión relativamente alta que hay por debajo de un ala y la presión relativamente baja que hay por encima crea una fuerza que se denomina sustentación. La desviación del aire hacia abajo desde la parte inferior de la superficie del ala también contribuye a la sustentación total que genera el ala. Los pilotos cambian la sustentación de un ala utilizando el timón de profundidad para ajustar la actitud de cabeceo del avión y, con ello, el ángulo de ataque del ala.
Diferencias entre trayectoria de vuelo y actitud de cabeceo
Es importante recordar que el viento relativo no procede necesariamente de la dirección a la que apunta el morro del avión. Por decirlo de otro modo, el ángulo de ataque no se mide en relación al horizonte. Es el ángulo formado por la trayectoria de vuelo y sus alas.
Entradas en pérdida
La entrada en pérdida se produce cuando un ala alcanza su ángulo de ataque crítico. Con independencia del factor de carga, la velocidad aerodinámica, el ángulo de ladeo o las condiciones atmosféricas, el ala siempre entra en pérdida en el mismo ángulo de ataque crítico. Los pilotos controlan el ángulo de ataque con el timón de profundidad.
La entrada en pérdida es un fenómeno aerodinámico; no tiene nada que ver con el motor de un avión. Los planeadores, grandes aviones, cazas a reacción y entrenadores a propulsión entran en pérdida cuando sus alas alcanzan un ángulo de ataque determinado, no debido a un fallo del motor.
Anatomía de una entrada en pérdida
Hasta un punto determinado, el aumento del ángulo de ataque aumenta la sustentación que genera un ala. Finalmente, sin embargo, el aire que fluye sobre la parte superior del ala ya no puede seguir su contorno y comienza a girar como el agua que fluye sobre las rocas en una corriente. En este punto, denominado ángulo crítico de ataque, la sustentación total desciende de repente y el ala entra en pérdida.
Todas las alas tienen un ángulo crítico de ataque determinado y siempre entran en pérdida en este ángulo. La mayoría de los aviones tienen alas con un ángulo de ataque crítico en torno a los 15 grados. Los pilotos inexpertos confunden a menudo la actitud de cabeceo con el ángulo de ataque. Recuerde que la trayectoria de vuelo del avión (y por tanto el viento relativo) puede estar en una dirección diferente a la que apunta el morro del avión.
Señales de advertencia
Las entradas en pérdida suelen estar precedidas por un ligero temblor o bataneo. Esta vibración comienza cuando el aire que fluye por encima de la parte superior del ala se hace turbulento. Cuando este aire llega al estabilizador horizontal y al timón de profundidad, se nota una ligera vibración en la palanca. La mayoría de los aviones poseen una señal de advertencia que avisa de que está entrando en pérdida.
Recuperación de una entrada en pérdida
Sólo existe un método para recuperarse de una entrada en pérdida: reducir el ángulo de ataque. Presione la palanca hacia delante para reducir el ángulo de ataque y aumente la potencia para minimizar la pérdida de altitud.
Centro de gravedad
El centro de gravedad (CG) es el punto en que el avión quedaría en equilibrio perfecto si estuviera suspendido de un cable. El CG es también el punto de intersección de los ejes longitudinal, lateral y vertical, y el punto en que se supone que actúan las cuatro fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación, peso, resistencia y empuje. . Para asegurarse de que el avión tiene un vuelo estable y responde correctamente a los mandos, debe cargarlo con cuidado para mantener el CG en su rango de diseño.
El equilibrio del CG
Un avión vacío es como un balancín: se equilibra en su centro de gravedad. Cada objeto que se agrega al avión desplaza ligeramente el CG. Los objetos situados más adelante del CG original suelen inclinar el avión hacia delante. Los objetos colocados por detrás del CG suelen inclinarlo hacia atrás. La fuerza de inclinación, o "momento", depende del peso del objeto y de su "tramo", es decir, la distancia entre el objeto y una línea de referencia arbitraria denominada dato. En muchos aviones, el dato es el cortafuegos que separa el compartimiento del motor de la cabina.
Regulación del CG
Los pilotos regulan el CG mediante el control de la distribución del peso en la cabina del avión. En la mayoría de los aviones pequeños, los depósitos de combustible y los asientos se sitúan cerca del CG óptimo, de forma que éste no se desplace demasiado cuando se agregue combustible, pasajeros y equipaje. Sin embargo, antes de cada vuelo, el piloto debe asegurarse de que el CG del avión cargado se sitúa entre los límites frontal y posterior especificados por el fabricante.
El CG y la estabilidad
El mantenimiento del CG dentro de sus límites de diseño es crítico, ya que su posición afecta a la estabilidad del avión, de la misma forma que la posición de un niño en un columpio cambia el punto de equilibrio del asiento.
Cuando el CG se mueve hacia atrás (hacia la cola), el avión tiene un cabeceo menos estable. Si el CG está muy atrás, podría ser imposible bajar el morro para recuperarse de una entrada en pérdida.
Si el CG se adelanta demasiado, el morro del avión se vuelve "pesado" y resulta difícil, o incluso imposible, enderezar el avión durante la fase final de aterrizaje.
Aterrizajes
Para la mayoría de los pilotos, el aterrizaje es la parte más difícil del vuelo. El secreto para aterrizar con suavidad, por extraño que parezca, es intentar evitar que el avión toque el suelo demasiado deprisa. Puede aprender más sobre los aterrizajes en las Lecciones de Vuelo de Rod Machado. Para recibir a las lecciones de vuelo de Rod, haga clic en el enlace Lecciones de vuelo del lado izquierdo de la pantalla.