Que es el centro aerodinamico, centro de presiones, coeficiente del momento de cabeceo en un avion

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En un avión en vuelo rectilíneo y horizontal, existen dos equilibrios. El equilibrio de fuerzas y el equilibrio de momentos.
El equilibrio de fuerzas implica que la fuerza de sustentación del ala principal ha de ser igual al peso del avión más la fuerza hacia abajo que se aplica en el estabilizador horizontal, aunque esta última a veces se desprecia en los cálculos.

El equilibrio de momentos implica que la suma de momentos respecto al centro de gravedad ha de ser cero. De esta forma, el avión no cabeceará ni hacia arriba ni hacia abajo al tener un momento total nulo.

Para calcular esta suma de momentos, es necesario saber la magnitud de las fuerzas y la distancia perpendicular de estas al centro de gravedad.

La fuerza de sustentación se aplica en el llamado centro de presiones del ala. Halladas la magnitud de la fuerza de sustentación y la distancia desde el centro de presiones hasta el centro de gravedad, podemos calcular el momento que ejerce dicha fuerza sobre el avión.

El problema es que el centro de presiones cambia cuando cambia el ángulo de ataque del ala principal. Esto dificulta mucho los cálculos, y hace engorroso el estudio de la estabilidad longitudinal del avión.

El hecho de que el avión esté en equilibrio de momentos, implica que todos los puntos del avión lo están. Es decir, el avión estará en equilibrio si la suma de momentos respecto a cualquier punto del avión es cero. Esto implica que el estudio de su estabilidad no ha de realizarse necesariamente respecto al centro de gravedad.
El centro aerodinámico es un punto que se sitúa aproximadamente en el primer cuarto del ala. En la década de los 30 del siglo pasado, diversos autores descubrieron que en un perfil alar curvo, el momento que la fuerza de sustentación ejerce respecto al centro aerodinámico es casi constante sea cual sea el ángulo de ataque del ala. El valor de este momento es también independiente del coeficiente de sustentación del ala. Además, resultó ser proporcional al cuadrado de la velocidad de la corriente de aire.
A dicho momento constante, respecto a este punto específico, se le llama momento de cabeceo del ala.

Si dividimos dicho momento entre la presión dinámica de la corriente de aire, entre el área del ala y la cuerda media del ala, tenemos otro concepto al que se llama coeficiente de momento de cabeceo. Este coeficiente es adimensional y es el que realmente se utiliza para el estudio comparativo de los distintos perfiles aerodinámicos.

De hecho, el centro aerodinámico se define como aquel punto de la cuerda del ala donde el coeficiente para el momento de cabeceo no varía significativamente con respecto al ángulo de ataque del ala.

A la hora de estudiar la estabilidad longitudinal del avión, podemos actuar de dos maneras. La primera, tomando momentos respecto al centro aerodinámico, lo cual reduce el momento producido por la fuerza de sustentación a un valor constante, que hemos llamado momento de cabeceo. O bien tomar momentos respecto al centro de gravedad, e incluir en la ecuación tanto el valor constante del momento de cabeceo, como el momento de la fuerza de sustentación, que supondremos aplicada en el centro aerodinámico y que tendrá un brazo constante respecto al centro de gravedad del avión.