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José María Rebés

Balance, centrado de la carga (3)

Topic started
1-14-2013 21:43:52
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¿Has intentado alguna vez hacer girar un plato sobre la punta de uno de tus dedos o sobre el extremo de un palo? Si lo has conseguido sabrás que cuanto más deprisa gire más difícil es que se desequilibre y caiga.

El concepto de Centro de Gravedad es algo muy asumido en esta generación de bicicletas, motos y demás artilugios que en reposo no tienen un equilibrio fácil, pero que en movimiento se aguantan sin caer. Es más fácil que se aguante una moneda de canto que una bicicleta sin apoyos, e intuitivamente ya vemos que la bicicleta pesa demasiado para aguantarse sobre una superficie del tamaño del que pueda ofrecer una moneda de canto. Bueno, más que un peso más elevado lo que tiene una bicicleta es mucha más altura, ese es el problema, no su peso.

Aun y así estamos hablando de mantener el equilibrio, no del centro de gravedad, pero bueno, a fin de cuentas un cuerpo en reposo no cae cuando su centro de gravedad está apoyado verticalmente en el suelo y no se ejercen fuerzas que le desplacen de un apoyo. Es simple: un funambulista utiliza su larga pértiga para conseguir que en todo momento el centro de gravedad del conjunto de su cuerpo y la pértiga quede verticalmente en los puntos de apoyo de sus pies en el cable. Mientras se desplaza ese punto se desplaza, pero el desequilibrio que se produce al levantar un pie del cable se compensa en cuanto ese pie entra en contacto con el cable un poco más adelante.

Un objeto en movimiento rectilíneo (sin fuerzas laterales) se mantiene en equilibrio si a lo largo de ese movimiento el centro de gravedad está habitualmente sobre el centro de sustentación (el apoyo). La inclinación lateral de una moto mientras avanza en línea recta no llega a desplazar el centro de gravedad fuera del de sustentación si la inclinación no se mantiene.

Vimos en la primera entrega de esta serie sobre balance y carga cómo debemos hacer para mantener el centro de gravedad en tierra de un avión entre sus puntos de apoyo, los trenes de aterrizaje. Esa distribución de la carga es relativamente fácil en tierra, conociendo el número de pasajeros, sus edades y sexos, conociendo el peso de la carga en bodega y conociendo el peso de la estructura del avión y tripulación, es decir, conociendo el peso de todo lo que está sopotado por las ruedas. Con unas pocas operaciones, o unas pocas tablas, se sabe qué poner en cada bodega.

Pero hasta ese punto no estamos hablando propiamente de una aeronave, sino de un objeto complejo pero terrestre. Ahora supongamos que colgamos esa aeronave de una única argolla situada en la parte superior, anclada al fuselaje. ¿En qué punto deberíamos anclar la argolla? Ahora ya no tenemos 3 puntos (tren principal más tren delanterio) sino un único punto, ahora vemos cómo no solo se nos puede desbalancear en el sentido del eje longitudinal del fuselaje, amorrándose o encabritándose de morro, sino que también se puede desbalancear mediante alabeo o en una combinación de ambos desequilibrios. Si imaginas que un avión en el aire, volando, está sustentado de esa forma entonces verás lo sensible que puede ser a la utilización completa del depósito de combustible de un ala sin vaciar ni una gota el depósito del otro ala, o al movimiento de todos los pasajeros a la parte trasera del avión. También entenderás por qué el balance de la carga de la bodega en tierra no tiene por qué ser óptimo en vuelo, puesto que la carga en tierra tiene 3 punto de apoyo mientras que en el aire solo cuenta con un único punto de sustentación. Y sí, la sustentación de un avión tiene mucho de esa idea de una única argolla sustentadora.

El centro de gravedad de un avión en vuelo debe estar cerca del punto de sustentación. Si el centro de gravedad está fuera de los planos sustentadores entonces se requerirá mucho esfuerzo para mantener el avión en equilibrio. A efectos de la sustentación consideremos que el centro de sustentación depende del diseño del avión.

Si el centro de gravedad (aquel punto que podríamos considerar que concentra todo el peso del avión) está por detrás del punto de sustentación entonces el avión tenderá a encabritarse, si el centro de gravedad está por delante del de sustentación entonces el avión tenderá a picar.

El desplazamiento con respecto al otro eje (cuando el peso está más cerca de unas ventanillas que de las opuestas, para aclararnos) significa que las fuerzas de sustentación, que son similares en cada ala, tienen la contraposición de fuerzas de peso no similares en cada ala, por lo que el avión tenderá a estar inclinado con un ala más alta que la otra.

Ciertamente los aviones tienen mecanismos para compensar las diferencias previstas, digamos que hay unos límites perfectamente estudiados del desplazamiento del centro de gravedad con respecto al de sustentación, así es que no temas que le pase nada al avión cuando vayas al lavabo o mientras los TCPs pasan el carrito de los alimentos. Pero está claro que un avión que pierde parte de un ala en vuelo habrá padecido un desplazamiento mortal del centro de gravedad con respecto al de sustentación, en este caso lateralmente.

Sí es cierto que un peso exageradamente retrasado puede afectar al despegue, porque el avión tiende a rotar antes de tiempo. Una vez en vuelo el avión tenderá a ascender con un ángulo de ataque superior al deseado, lo cual puede llevar incluso a entrar en pérdida si el ángulo es excesivo (llevo la idea al extremo para que se entiendan mejor las consecuencias). Con la cola más baja de lo que debiera en vuelo horizontal el avión gasta más combustible (parte de la potencia de los motores no trabaja en la dirección adecuada). El aterrizaje se complica por la mayor dificultad de picar el avión.

¿Y una carga excesivamente adelantada con respecto al centro de sustentación? Para empezar el despegue cuesta más, el avión no rota tan fácilmente, lo que significa que hay que despegar a mayor velocidad y por lo tanto se necesita más pista. Por lo demás, una vez en vuelo, es más estable que con la carga retrasada, y el aterrizaje es menos complicado. Así es que mejor adelantada que atrasada, si es que hay que elegir y hay la suficiente potencia en los motores. Hará falta más pista para el despegue, pero eso es todo.

Hasta aquí hemos puesto el avión en el aire e imaginado que solamente le afectan las fuerzas opuestas verticales de sustentación y peso, pero la realidad es mucho más compleja. El empuje de los motores se produce en horizontal, pero se transforma en sustentación, por lo que no lo tendremos en cuenta como una fuerza más de la ecuación. En cambio la fuerza del aire, que además no siempre es fija, produce diferencias permanentes de equilibrio en un avión en vuelo, notables a veces, algo que experimentamos como turbulencias. La fuerza del aire ayuda a hacer subir o bajar la cola, por ejemplo, desplazando el centro de gravedad con respecto al de sustentación. Imaginemos que el avión tiene el punto de sustentación un poco por delante del de equilibrio. Si inclinamos el avión, encabritándolo, el centro de equilibrio podrá quedar todavía más lejos del centro de sustentación, si picamos el avión de morro entonces el centro de equilibrio podría adelantarse con respecto al de sustentación. Esas inclinaciones se pueden producir por efecto de la velocidad del aire.

En el caso del Concorde las fuerzas ejercidas sobre el avión para llevarlo más allá de la velocidad del sonido significaban el desplazamiento de unos 2 metros del centro de sustentación, lo que en definitiva se equilibraba bombeando fuel desde los depósitos más adelantados a los más atrasados, para mantener el centro de gravedad a una distancia adecuada del de sustentación. Al aterrizaje se producía al trasvase contrario, puesto que ese desplazamiento de la sustentación se intensificaba con la velocidad y se deshacía al reducir ésta.

En este caso se ve mejor cómo el centro de sustentación no es inamovible a lo largo del vuelo, sino que depende de la velocidad del propio avión. Los aviones subsónicos sufren también pequeñas variaciones del centro de sustentación, pero no tan exageradas como las del Concorde. Por cierto, una vez en tierra el Concorde requería que el fuel se volviera a mover hacia delante, para compensar cargas en tierra sobre sus tres puntos de apoyo y evitar cualquier posible incidente por "sentado de cola".

Otro motivo de cambio lento pero continuado del centro de gravedad de un avión es el consumo del combustible. Al consumirse los depósitos más extremos de las alas entonces el centro de gravedad se va desplazando hacia delante, al quitar peso por detrás del centro precedente. Es decir, el propio consumo ya hace variar el centro de gravedad del avión y por lo tanto modifica la distancia entre ambos centros. Un balance inicial adelantado se incrementaría por el consumo durante el vuelo, siendo superior al aterrizaje que al despegue.

Todas esas variables forman parte del plan de vuelo y son conocidas de antemano, así como reconocidas en vuelo. Los elementos móviles del avión permiten compensar las desviaciones dentro de límites, asegurando que el centro de gravedad esté permanente a la distancia que la fase de vuelo requiere para un vuelo seguro.

Saludos,

José María

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