En mecánica de fluidos , el centro de presión es el punto donde la suma total de un campo de presión actúa sobre un cuerpo, provocando que una fuerza actúe por ese punto. El vector de fuerza total que actúa en el centro de presión es la integral de superficie del campo del vector de presión a través de la superficie del cuerpo. La fuerza resultante y la ubicación del centro de presión producen una fuerza y un momento equivalentes sobre el cuerpo como el campo de presión original.
Los campos de presión ocurren tanto en la mecánica de fluidos estática como en la dinámica . La especificación del centro de presión, el punto de referencia desde el cual se hace referencia al centro de presión y el vector de fuerza asociado permite calcular el momento generado alrededor de cualquier punto mediante una traslación desde el punto de referencia al nuevo punto deseado. Es común que el centro de presión esté ubicado en el cuerpo, pero en los flujos de fluidos es posible que el campo de presión ejerza un momento sobre el cuerpo de tal magnitud que el centro de presión quede ubicado fuera del cuerpo. [1]
Dado que las fuerzas del agua sobre una presa son fuerzas hidrostáticas , varían linealmente con la profundidad. La fuerza total sobre la presa es entonces la integral de la presión multiplicada por el ancho de la presa en función de la profundidad. El centro de presión está ubicado en el centroide del campo de presión de forma triangular desde la parte superior de la línea de agua. La fuerza hidrostática y el momento de vuelco en la presa alrededor de algún punto se pueden calcular a partir de la fuerza total y la ubicación del centro de presión en relación con el punto de interés.
El centro de presión se utiliza en el diseño de veleros para representar la posición en una vela donde se concentra la fuerza aerodinámica .
La relación entre el centro de presión aerodinámico de las velas y el centro de presión hidrodinámico (denominado centro de resistencia lateral ) del casco determina el comportamiento del barco con el viento. Este comportamiento se conoce como "timón" y es un timón meteorológico o un timón a sotavento. Algunos marineros consideran que una ligera cantidad de timón de barlovento es una situación deseable, tanto desde el punto de vista de la "sensación" del timón como de la tendencia del barco a virar ligeramente hacia barlovento en ráfagas más fuertes, hasta cierto punto autocontroladas. izar las velas. Otros marineros no están de acuerdo y prefieren un timón neutral.
La causa fundamental del "timón", ya sea por tiempo o por sotavento, es la relación del centro de presión del plano vélico con el centro de resistencia lateral del casco. Si el centro de presión está a popa del centro de resistencia lateral, un timón de barlovento, la tendencia del barco es querer virar hacia el viento.
Si la situación se invierte, con el centro de presión por delante del centro de resistencia lateral del casco, se producirá un timón a sotavento, lo que generalmente se considera indeseable, si no peligroso. Demasiado uso del timón no es bueno, ya que obliga al timonel a mantener el timón desviado para contrarrestarlo, induciendo así una resistencia adicional más allá de lo que experimentaría un barco con timón neutral o mínimo. [2]
Una configuración estable es deseable no sólo en la navegación, sino también en el diseño de aviones . Por lo tanto, el diseño de aviones tomó prestado el término centro de presión. Y al igual que una vela, un perfil aerodinámico rígido y no simétrico no sólo produce sustentación, sino también un momento . El centro de presión de una aeronave es el punto donde todo el campo de presión aerodinámico puede estar representado por un único vector de fuerza sin momento. [3] [4] Una idea similar es el centro aerodinámico , que es el punto de un perfil aerodinámico donde el momento de cabeceo producido por las fuerzas aerodinámicas es constante con el ángulo de ataque . [5] [6] [7]
El centro aerodinámico juega un papel importante en el análisis de la estabilidad estática longitudinal de todas las máquinas voladoras. Es deseable que cuando el ángulo de cabeceo y el ángulo de ataque de una aeronave se alteren (por, por ejemplo, cizalladura del viento /ráfaga vertical), la aeronave regrese a su ángulo de cabeceo y ángulo de ataque recortados originales sin que un piloto o piloto automático cambie el control. deflexión de la superficie. Para que una aeronave regrese a su actitud compensada, sin la intervención de un piloto o piloto automático, debe tener una estabilidad estática longitudinal positiva . [8]
Los misiles normalmente no tienen un plano o dirección de maniobra preferidos y, por lo tanto, tienen perfiles aerodinámicos simétricos. Dado que el centro de presión de los perfiles aerodinámicos simétricos es relativamente constante para un ángulo de ataque pequeño, los ingenieros de misiles suelen hablar del centro de presión completo de todo el vehículo para el análisis de estabilidad y control. En el análisis de misiles, el centro de presión normalmente se define como el centro del campo de presión adicional debido a un cambio en el ángulo de ataque con respecto al ángulo de ataque de compensación. [9]
Para cohetes no guiados, la posición de compensación suele ser un ángulo de ataque cero y el centro de presión se define como el centro de presión del campo de flujo resultante en todo el vehículo resultante de un ángulo de ataque muy pequeño (es decir, el centro de presión es el límite cuando el ángulo de ataque llega a cero). Para una estabilidad positiva en los misiles, el centro de presión total del vehículo definido como se indicó anteriormente debe estar más lejos de la punta del vehículo que el centro de gravedad . En los misiles con ángulos de ataque más bajos, las contribuciones al centro de presión están dominadas por la nariz, las alas y las aletas. La derivada del coeficiente de fuerza normal normalizado con respecto al ángulo de ataque de cada componente multiplicado por la ubicación del centro de presión se puede utilizar para calcular un centroide que represente el centro de presión total. El centro de presión del campo de flujo agregado está detrás del centro de gravedad y la fuerza adicional "apunta" en la dirección del ángulo de ataque agregado; esto produce un momento que empuja el vehículo de regreso a la posición de compensación.
En los misiles guiados donde las aletas se pueden mover para ajustar los vehículos en diferentes ángulos de ataque, el centro de presión es el centro de presión del campo de flujo en ese ángulo de ataque para la posición de las aletas no desviadas. Este es el centro de presión de cualquier pequeño cambio en el ángulo de ataque (como se definió anteriormente). Una vez más, para una estabilidad estática positiva, esta definición de centro de presión requiere que el centro de presión esté más lejos de la nariz que el centro de gravedad. Esto asegura que cualquier aumento de fuerza resultante del aumento del ángulo de ataque dé como resultado un mayor momento de restauración para hacer que el misil regrese a la posición recortada. En el análisis de misiles, el margen estático positivo implica que el vehículo completo realiza un momento de recuperación para cualquier ángulo de ataque desde la posición de compensación.
El centro de presión en un perfil aerodinámico simétrico normalmente se encuentra cerca del 25% de la longitud de la cuerda detrás del borde de ataque del perfil aerodinámico. (Esto se llama "punto de un cuarto de cuerda".) Para un perfil aerodinámico simétrico, a medida que cambian el ángulo de ataque y el coeficiente de sustentación , el centro de presión no se mueve. [10] Permanece alrededor del punto del cuarto de cuerda para ángulos de ataque por debajo del ángulo de ataque de pérdida. El papel del centro de presión en la caracterización del control de los aviones adopta una forma diferente que en el caso de los misiles.
En un perfil aerodinámico curvado, el centro de presión no ocupa una ubicación fija. [11] Para un perfil aerodinámico con curvatura convencional, el centro de presión se encuentra un poco detrás del punto del cuarto de cuerda en el coeficiente de sustentación máximo ( ángulo de ataque grande ), pero a medida que se reduce el coeficiente de sustentación (se reduce el ángulo de ataque), el centro de presión se mueve hacia hay. [12] Cuando el coeficiente de sustentación es cero, un perfil aerodinámico no genera sustentación, pero un perfil aerodinámico con curvatura convencional genera un momento de cabeceo con el morro hacia abajo, por lo que la ubicación del centro de presión está a una distancia infinita detrás del perfil aerodinámico.
Para un perfil aerodinámico con curvatura refleja , el centro de presión se encuentra un poco por delante del punto del cuarto de cuerda en el coeficiente de sustentación máximo ( ángulo de ataque grande ), pero a medida que se reduce el coeficiente de sustentación (se reduce el ángulo de ataque), el centro de presión se mueve hacia adelante. Cuando el coeficiente de sustentación es cero, un perfil aerodinámico no genera sustentación, pero un perfil aerodinámico con curvatura refleja genera un momento de cabeceo con el morro hacia arriba, por lo que la ubicación del centro de presión está a una distancia infinita por delante del perfil aerodinámico. Esta dirección de movimiento del centro de presión sobre un perfil aerodinámico con curvatura refleja tiene un efecto estabilizador.
La forma en que se mueve el centro de presión a medida que cambia el coeficiente de sustentación dificulta su uso en el análisis matemático de la estabilidad estática longitudinal de una aeronave. Por este motivo, es mucho más sencillo utilizar el centro aerodinámico a la hora de realizar un análisis matemático. El centro aerodinámico ocupa una ubicación fija en un perfil aerodinámico, normalmente cerca del punto del cuarto de cuerda.
El centro aerodinámico es el punto de partida conceptual para la estabilidad longitudinal. El estabilizador horizontal aporta estabilidad adicional y esto permite que el centro de gravedad esté a una pequeña distancia detrás del centro aerodinámico sin que la aeronave alcance la estabilidad neutral. La posición del centro de gravedad en la que la aeronave tiene estabilidad neutral se llama punto neutral .
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