En mecánica de fluidos , el centro de presión es el punto de un cuerpo en el que una única fuerza que actúa en ese punto puede representar el efecto total del campo de presión que actúa sobre el cuerpo. El vector de fuerza total que actúa en el centro de presión es la integral de superficie del campo de vector de presión a lo largo 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 al campo de presión original.
Los campos de presión se dan 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 toma como referencia el centro de presión y el vector de fuerza asociado permiten calcular el momento generado en torno a cualquier punto mediante una traslación desde el punto de referencia hasta el nuevo punto deseado. Es habitual que el centro de presión se encuentre sobre 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 se encuentre 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 se encuentra 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 sobre la presa en torno a un punto determinado 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 puede ser un timón a barlovento o a sotavento. Algunos navegantes consideran que una ligera inclinación del timón es una situación deseable, tanto desde el punto de vista de la "sensación" del timón como de la tendencia del barco a dirigirse ligeramente a barlovento en ráfagas más fuertes, lo que en cierta medida hace que las velas se abatan. Otros navegantes no están de acuerdo y prefieren un timón neutro.
La causa fundamental del "timón", ya sea a barlovento o a 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 a barlovento, la tendencia del buque es querer virar en contra del viento.
Si la situación se invierte, con el centro de presión por delante del centro de resistencia lateral del casco, se obtendrá un timón "a sotavento", lo que generalmente se considera indeseable, si no peligroso. Un exceso de timón no es bueno, ya que obliga al timonel a mantener el timón desviado para contrarrestarlo, lo que induce una resistencia adicional que supera la que experimentaría una embarcación con un timón neutro o mínimo. [2]
Una configuración estable es deseable no solo en la navegación a vela, sino también en el diseño de aeronaves . Por lo tanto, el diseño de aeronaves tomó prestado el término centro de presión. Y al igual que una vela, un perfil aerodinámico rígido no simétrico no solo produce sustentación, sino también un momento . El centro de presión de una aeronave es el punto donde todo el campo de presión aerodinámica puede representarse mediante un único vector de fuerza sin momento. [3] [4] Una idea similar es el centro aerodinámico , que es el punto en 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 desempeña 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 ejemplo, por cizalladura del viento o ráfagas verticales), la aeronave regrese a su ángulo de cabeceo y ángulo de ataque originales ajustados sin que un piloto o piloto automático cambie la desviación de la superficie de control. Para que una aeronave regrese a su actitud ajustada, sin la intervención de un piloto o piloto automático, debe tener una estabilidad estática longitudinal positiva . [8]
Los misiles no suelen tener 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 ángulos de ataque pequeños, 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 se define normalmente 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]
En el caso de los cohetes no guiados, la posición de compensación es normalmente 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 que resulta de un ángulo de ataque muy pequeño (es decir, el centro de presión es el límite cuando el ángulo de ataque tiende a cero). Para lograr una estabilidad positiva en los misiles, el centro de presión total del vehículo definido como se indica anteriormente debe estar más alejado de la nariz 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 multiplicada 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 añadido está detrás del centro de gravedad y la fuerza adicional "apunta" en la dirección del ángulo de ataque añadido; esto produce un momento que empuja al vehículo de nuevo a la posición de compensación.
En los misiles guiados en los que las aletas se pueden mover para equilibrar 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 aleta no desviada. Este es el centro de presión de cualquier pequeño cambio en el ángulo de ataque (como se definió anteriormente). Una vez más, para la estabilidad estática positiva, esta definición de centro de presión requiere que el centro de presión esté más alejado de la nariz que el centro de gravedad. Esto garantiza que cualquier aumento de fuerzas resultante de un mayor ángulo de ataque resulte en un mayor momento de restauración para impulsar el misil de regreso a la posición equilibrada. En el análisis de misiles, el margen estático positivo implica que el vehículo completo genera un momento de restauración para cualquier ángulo de ataque desde la posición equilibrada.
El centro de presión de un perfil aerodinámico simétrico se encuentra típicamente cerca del 25% de la longitud de la cuerda detrás del borde de ataque del perfil aerodinámico. (Esto se llama el "punto de cuarto de cuerda"). Para un perfil aerodinámico simétrico, a medida que el ángulo de ataque y el coeficiente de sustentación cambian, el centro de presión no se mueve. [10] Permanece alrededor del punto de 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 aeronaves toma una forma diferente que en los misiles.
En un perfil aerodinámico curvado , el centro de presión no ocupa una ubicación fija. [11] En un perfil aerodinámico curvado de manera convencional, el centro de presión se encuentra un poco detrás del punto de cuarto de cuerda en el coeficiente de sustentación máximo (ángulo de ataque grande), pero a medida que el coeficiente de sustentación se reduce (el ángulo de ataque se reduce), el centro de presión se mueve hacia atrás. [12] Cuando el coeficiente de sustentación es cero, un perfil aerodinámico no genera sustentación, pero un perfil aerodinámico curvado de manera convencional genera un momento de cabeceo con el morro hacia abajo, por lo que la ubicación del centro de presión es una distancia infinita detrás del perfil aerodinámico.
En el caso de un perfil aerodinámico con comba refleja , el centro de presión se encuentra un poco por delante del punto de cuarto de cuerda en el coeficiente de sustentación máximo (gran ángulo de ataque), pero a medida que el coeficiente de sustentación se reduce (se reduce el ángulo de ataque), el centro de presión se mueve hacia delante. Cuando el coeficiente de sustentación es cero, un perfil aerodinámico no genera sustentación, pero un perfil aerodinámico con comba 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 en un perfil aerodinámico con comba 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, resulta mucho más sencillo utilizar el centro aerodinámico al realizar un análisis matemático. El centro aerodinámico ocupa una ubicación fija en un perfil aerodinámico, normalmente cerca del punto de 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 se encuentre a una pequeña distancia detrás del centro aerodinámico sin que la aeronave alcance la estabilidad neutra. La posición del centro de gravedad en la que la aeronave tiene estabilidad neutra se denomina punto neutro .
