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En aeronáutica, el diedro es el ángulo que forman las alas izquierda y derecha (o superficies de cola) de un avión. El término "diédrico" también se utiliza para describir el efecto del deslizamiento lateral en el balanceo del avión.
El ángulo diedro es el ángulo ascendente desde la horizontal de las alas o del plano de cola de un avión de ala fija . "Ángulo anédrico" es el nombre que se le da al ángulo diedro negativo, es decir, cuando existe un ángulo descendente desde la horizontal de las alas o del plano de cola de un avión de ala fija.
El ángulo diedro tiene una fuerte influencia en el efecto diedro , que recibe su nombre. El efecto diedro es la cantidad de momento de alabeo producido en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral . El efecto diedro es un factor crítico en la estabilidad de una aeronave sobre el eje de alabeo (el modo espiral ). También es pertinente para la naturaleza de la oscilación del alabeo holandés de una aeronave y para la maniobrabilidad sobre el eje de alabeo .
El diedro longitudinal es un término relativamente poco conocido relacionado con el eje de cabeceo de un avión. Es el ángulo entre el eje de sustentación cero del ala y el eje de sustentación cero de la cola horizontal. El diedro longitudinal puede influir en la naturaleza de la capacidad de control sobre el eje de cabeceo y en la naturaleza de la oscilación en modo fugoide de un avión .
Cuando se utiliza el término "diédrico" (de una aeronave) por sí solo, normalmente se pretende decir " ángulo diedro ". Sin embargo, el contexto puede indicar que el significado pretendido es " efecto diedro".
El ángulo diedro es el ángulo ascendente desde la horizontal de las alas de una aeronave de ala fija , o de cualquier superficie nominalmente horizontal emparejada en cualquier aeronave . El término también puede aplicarse a las alas de un pájaro . El ángulo diedro también se utiliza en algunos tipos de cometas, como las cometas de caja. Las alas con más de un cambio de ángulo a lo largo de toda su envergadura se denominan poliédricas .
El ángulo diedro tiene importantes efectos estabilizadores sobre los cuerpos voladores porque tiene una fuerte influencia en el efecto diedro.
El efecto diedro [1] de una aeronave es un momento de balanceo que resulta de que el vehículo tenga un ángulo de deslizamiento lateral distinto de cero . Al aumentar el ángulo diedro de una aeronave, aumenta el efecto diedro sobre ella. Sin embargo, muchos otros parámetros de la aeronave también tienen una fuerte influencia en el efecto diedro. Algunos de estos factores importantes son: la flecha del ala , el centro de gravedad vertical y la altura y el tamaño de cualquier cosa en una aeronave que cambie su fuerza lateral a medida que cambia el deslizamiento lateral .
El ángulo diedro en una aeronave casi siempre implica el ángulo entre dos superficies emparejadas , una a cada lado de la aeronave . Incluso en ese caso, casi siempre es entre las alas izquierda y derecha . Sin embargo, matemáticamente, diedro significa el ángulo entre dos planos cualesquiera . Por lo tanto, en aeronáutica, en un caso, el término "diédrico" se aplica para significar la diferencia de ángulos entre dos superficies de adelante hacia atrás :
El diedro longitudinal es la diferencia entre el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz del ala y el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz de la cola horizontal.
El diedro longitudinal también puede significar el ángulo entre el eje de sustentación cero del ala y el eje de sustentación cero de la cola horizontal en lugar de entre las cuerdas de la raíz de las dos superficies. Este es el uso más significativo porque las direcciones de la sustentación cero son pertinentes para el equilibrio y la estabilidad, mientras que las direcciones de las cuerdas de la raíz no lo son.
Esta medida también suele denominarse decalaje .
En geometría, el ángulo diedro es el ángulo entre dos planos. El uso en aviación difiere ligeramente del uso en geometría. En aviación, el uso de " di hedral" evolucionó para significar el ángulo positivo hacia arriba entre las alas izquierda y derecha, mientras que el uso con el prefijo "an-" (como en " an hedral") evolucionó para significar el ángulo negativo hacia abajo entre las alas.
Las cualidades estabilizadoras aerodinámicas de un ángulo diedro fueron descritas en un influyente artículo de 1810 de Sir George Cayley . [2]
En el análisis de la estabilidad de una aeronave, el efecto diedro también es una derivada de estabilidad denominada C l [nota 1], que significa el cambio en el coeficiente del momento de rodadura (el " C l ") [nota 2] por cada grado (o radián) de cambio en el ángulo de deslizamiento lateral (el " ").
El efecto diedro tiene como finalidad contribuir a la estabilidad del eje de balanceo. Es un factor importante en la estabilidad del modo espiral , que a veces se denomina "estabilidad de balanceo". [nota 3] El efecto diedro no contribuye directamente a restablecer el "nivel de las alas", pero indirectamente ayuda a restablecer el "nivel de las alas" a través de su efecto sobre el modo de movimiento espiral que se describe a continuación.
Los diseñadores de aeronaves pueden aumentar el ángulo diedro para proporcionar una mayor distancia entre las puntas de las alas y la pista. Esto es especialmente preocupante en el caso de aeronaves de ala en flecha , cuyas puntas de las alas podrían golpear la pista al girar o tocar tierra. En aeronaves militares, el espacio del ángulo diedro se puede utilizar para montar material y tanques de combustible en los puntos duros de las alas, especialmente en aeronaves con alas bajas. El mayor efecto diedro causado por esta opción de diseño puede tener que compensarse, tal vez disminuyendo el ángulo diedro en la cola horizontal.
Durante el diseño de una aeronave de ala fija (o cualquier aeronave con superficies horizontales), cambiar el ángulo diedro suele ser una forma relativamente sencilla de ajustar el efecto diedro general. Esto es para compensar la influencia de otros elementos de diseño en el efecto diedro. Estos otros elementos (como la flecha del ala, el punto de montaje vertical del ala, etc.) pueden ser más difíciles de cambiar que el ángulo diedro. Como resultado, se pueden encontrar diferentes cantidades de ángulo diedro en diferentes tipos de aeronaves de ala fija. Por ejemplo, el ángulo diedro suele ser mayor en aeronaves de ala baja que en aeronaves de ala alta similares. Esto se debe a que la "altura" de un ala (o la "baja" del centro de gravedad vertical en comparación con el ala) crea naturalmente más efecto diedro en sí mismo. Esto hace que se necesite menos ángulo diedro para obtener la cantidad de efecto diedro necesaria.
El efecto diedro se define simplemente como el momento de balanceo causado por el deslizamiento lateral y nada más. Los momentos de balanceo causados por otras cosas que pueden estar relacionadas con el deslizamiento lateral tienen nombres diferentes.
El efecto diedro no es causado por la velocidad de guiñada ni por la velocidad de cambio del deslizamiento lateral . Dado que los pilotos notan el efecto diedro cuando "se aplica el timón", muchos pilotos y otros casi expertos explican que el momento de balanceo es causado por un ala que se mueve más rápido por el aire y el otro ala menos rápido. De hecho, estos son efectos reales, pero no son el efecto diedro, que es causado por estar en un ángulo de deslizamiento lateral, no por llegar a uno. Estos otros efectos se denominan "momento de balanceo debido a la velocidad de guiñada" y "momento de balanceo debido a la velocidad de deslizamiento lateral", respectivamente.
El efecto diedro no es en sí mismo una estabilidad de balanceo. La estabilidad de balanceo se denomina de forma menos ambigua "estabilidad en modo espiral" y el efecto diedro es un factor que contribuye a ella.
El ángulo diedro contribuye al efecto diedro total de la aeronave. A su vez, el efecto diedro contribuye a la estabilidad del modo espiral . Un modo espiral estable hará que la aeronave eventualmente regrese a un ángulo de inclinación nominalmente "nivelado con las alas" cuando el ángulo de las alas se altera y se desnivela. [nota 4]
Si una perturbación hace que un avión se aleje de su posición normal de alas niveladas como en la Figura 1, el avión comenzará a moverse un poco hacia los lados, en dirección al ala inferior. [3] En la Figura 2, la trayectoria de vuelo del avión ha comenzado a moverse hacia su izquierda mientras que el morro del avión todavía apunta en la dirección original. Esto significa que el aire que se aproxima llega un poco desde la izquierda del morro. El avión ahora tiene un ángulo de deslizamiento lateral además del ángulo de inclinación. La Figura 2 muestra el avión tal como se presenta ante el aire que se aproxima.
En la Figura 2, las condiciones de deslizamiento lateral producen un mayor ángulo de ataque en el ala que se mueve hacia adelante y un ángulo de ataque menor en el ala que se mueve hacia atrás. Esta alteración del ángulo de ataque por deslizamiento lateral es visible en la Figura 2. Como un mayor ángulo de ataque produce más sustentación (en el caso habitual, cuando el ala no está cerca de entrar en pérdida), el ala delantera tendrá más sustentación y el ala trasera tendrá menos sustentación. Esta diferencia de sustentación entre las alas es un momento de balanceo y es causado por el deslizamiento lateral. Es una contribución al efecto diedro total del avión.
El momento de balanceo creado por el deslizamiento lateral (etiquetado como "P") tiende a hacer que el avión vuelva a nivelar las alas. Un efecto más diedro intenta hacer que las alas giren en la dirección de "nivelación" con más fuerza, y un efecto menos diedro intenta hacer que las alas giren en la dirección de "nivelación" con menos fuerza. El efecto diedro ayuda a estabilizar el modo espiral al tender a hacer que las alas giren hacia el nivel en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral que se acumula. Sin embargo, no es todo el panorama. Al mismo tiempo que se acumula ese ángulo de deslizamiento lateral , la aleta vertical intenta girar el morro hacia el viento, como una veleta, minimizando la cantidad de deslizamiento lateral que puede estar presente. Si no hay deslizamiento lateral, no puede haber un momento de balanceo restaurador. Si hay menos deslizamiento lateral, hay menos momento de balanceo restaurador. La estabilidad de guiñada creada por la aleta vertical se opone a la tendencia del efecto diedro a hacer que las alas vuelvan a nivelarse al limitar el deslizamiento lateral.
El modo espiral es la tendencia a desviarse lentamente del nivel de las alas o a regresar lentamente al mismo. Si el modo espiral es estable, la aeronave regresará lentamente al nivel de las alas; si es inestable, la aeronave se desviará lentamente del nivel de las alas. El efecto diedro y la estabilidad de guiñada son los dos factores principales que afectan la estabilidad del modo espiral, aunque hay otros factores que la afectan con menor fuerza.
Otros factores de diseño además del ángulo diedro también contribuyen al efecto diedro. Cada uno de ellos aumenta o disminuye el efecto diedro total de la aeronave en mayor o menor medida.
La flecha hacia atrás del ala también aumenta el efecto diedro, con aproximadamente 1° de diedro efectivo por cada 10° de flecha hacia atrás. [4] Esta es una de las razones para la configuración anhedral en aeronaves con un ángulo de flecha alto, así como en algunos aviones de pasajeros, incluso en aeronaves de ala baja como el Tu-134 y el Tu-154 .
En cualquier caso, la flecha hacia atrás del ala también puede darse con una configuración diedra. Por ejemplo, dos pequeños biplanos fabricados entre los años 1930 y 1945 por Bücker Flugzeugbau en Alemania, el avión de entrenamiento biplaza Bücker Jungmann y el biplano acrobático de competición Bücker Jungmeister , fueron diseñados con flechas hacia atrás de aproximadamente 11 grados, lo que proporcionaba un efecto diedro significativo, además de que sus pequeños ángulos diedros tenían un efecto similar pero menor.
El centro de masa , generalmente llamado centro de gravedad o "CG", es el punto de equilibrio de una aeronave. Si se suspende en este punto y se le permite girar, el fuselaje (la aeronave) se equilibrará. La ubicación del CG de adelante hacia atrás es de importancia primordial para la estabilidad general de la aeronave, pero la ubicación vertical también tiene efectos importantes.
La posición vertical del CG cambia la cantidad de efecto diedro. A medida que el "CG vertical" se mueve hacia abajo, el efecto diedro aumenta. Esto se debe a que el centro de sustentación y arrastre está más arriba del CG y tiene un brazo de momento más largo. Por lo tanto, las mismas fuerzas que cambian a medida que cambia el deslizamiento lateral (principalmente la fuerza lateral, pero también la sustentación y el arrastre) producen un momento mayor alrededor del CG de la aeronave. Esto a veces se conoce como el efecto péndulo . [nota 5]
Un ejemplo extremo del efecto del centro de gravedad vertical sobre el efecto diedro es un parapente . El efecto diedro creado por el centro de gravedad vertical muy bajo compensa con creces el efecto diedro negativo creado por el fuerte anhedro [nota 6] de un ala que necesariamente se curva fuertemente hacia abajo.
La posición de las alas en un avión de ala fija también influirá en su efecto diedro. Una configuración de ala alta proporciona unos 5° de diedro efectivo en comparación con una configuración de ala baja. [4]
Un efecto secundario de un efecto diedro excesivo, causado entre otras cosas por un ángulo diedro excesivo, puede ser el acoplamiento de balanceo y guiñada (una tendencia de la aeronave a realizar un balanceo holandés ). Esto puede resultar desagradable o, en condiciones extremas, puede provocar la pérdida de control o sobrecargar la aeronave.
Los aviones de combate militares suelen tener un ángulo casi nulo o incluso anhedral, lo que reduce el efecto diedro y, por lo tanto, reduce la estabilidad del modo espiral. Esto aumenta la maniobrabilidad, algo deseable en los aviones de combate.
Los ángulos anhédricos también se observan en aeronaves con un ala elevada, como los aviones de carga Antonov An-124 y Lockheed C-5 Galaxy de gran tamaño . En estos diseños, el ala elevada se encuentra por encima del centro de gravedad de la aeronave , lo que confiere un efecto diedro adicional debido al efecto péndulo (también llamado efecto quilla ) y, por lo tanto, a menudo no se requiere un ángulo diedro adicional. Estos diseños pueden tener un efecto diedro excesivo y, por lo tanto, ser excesivamente estables en el modo espiral, por lo que se agrega un ángulo anhédrico en el ala para cancelar parte del efecto diedro de modo que la aeronave pueda maniobrarse más fácilmente.
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La mayoría de los aviones han sido diseñados con alas planas con diedro simple (o anédrico). Algunos aviones más antiguos, como el Beriev Be-12, fueron diseñados con alas de gaviota dobladas cerca de la raíz. [ cita requerida ] Otros, como el Vought F4U Corsair , utilizaron un diseño de ala de gaviota invertida, que permitió puntales de aterrizaje más cortos y una distancia al suelo adicional para hélices grandes y cargas útiles externas, como tanques de combustible externos o bombas. Los diseños de alas poliédricas modernas generalmente se doblan hacia arriba cerca de las puntas de las alas (también conocido como diedro de punta ), lo que aumenta el efecto diedro sin aumentar el ángulo en el que las alas se encuentran en la raíz, que puede restringirse para cumplir con otros criterios de diseño.
El poliedro se observa en planeadores y otras aeronaves. El McDonnell Douglas F-4 Phantom II es un ejemplo de ello, único entre los aviones de combate a reacción por tener puntas de ala diédricas. Esto se añadió después de que las pruebas de vuelo del prototipo de ala plana mostraran la necesidad de corregir cierta inestabilidad imprevista en modo espiral: inclinar las puntas de las alas, que ya estaban diseñadas para plegarse para operaciones en portaaviones, era una solución más práctica que rediseñar el ala entera. [5]
