Estabilidades

Para começarmos a entender a estabilidade das aeronaves devemos antes de tudo saber quais os tipos de equilíbrios existentes na natureza. Que são:

• Equilíbrio estável – é quando há a tendência de permanecer em equilíbrio. 
• Equilíbrio instável – é quando há a tendência de se afastar do equilíbrio.
• Equilíbrio indiferente ou neutro – é quando não há tendências. 

Um avião pode apresentar um dos três tipos de equilíbrios, dependendo do seu comportamento após sofrer uma interferência em seu equilíbrio inicial. O avião é estaticamente estável se tender a voltar ao equilíbrio, estaticamente instável se tender a se afastar cada vez mais do equilíbrio, ou indiferente se não apresentar nenhuma dessas tendências. O termo estaticamente é usado para distinguir esta categoria de equilíbrio dinâmico que veremos mais a frente.  

Existem 3 tipos de estabilidades que podemos estudar dentro da teoria de voo e elas se baseiam nos eixos da aeronave. Temos então a estabilidade longitudinal, a estabilidade lateral e a estabilidade direcional. Vamos apresentar cada uma delas a seguir.

Estabilidade longitudinal

É a estabilidade em torno do eixo lateral. A asa de um avião com perfil assimétrico, é estaticamente instável. Se o ângulo de ataque aumentar, o centro de pressão avançará, fazendo o perfil aumentar ainda mais o ângulo de ataque.

O estabilizador foi criado com a finalidade de estabilizar o avião em torno do eixo lateral. O vento no estabilizador cria uma sustentação que tende a levantar a cauda, a nivelando o avião. Porém, não devemos esquecer que o vento na asa também produz uma sustentação que levanta a frente do avião.

Como resultado dessas duas combinações de força temos dois casos.

• Se o avião possuir cauda leve, a sustentação do estabilizador conseguirá levantar a cauda mais rápido do que a sustentação da asa levantará a frente do avião.
• Se o avião possuir a cauda mais pesada, a frente do avião subirá mais rápido do que a cauda, agravando o desequilíbrio.

Com isso concluímos que um avião de cauda leve é estaticamente estável e um avião de cauda pesada é estaticamente instável.

Agora sabemos que o avião deve ter a cauda leve para ser estaticamente estável.

O termo cauda leve significa que o CG deve ficar à frente.

Agora vamos estuda de forma mais clara onde deve ficar o CG.

De início vamos substituir as sustentações do estabilizador e da asa que surgiram com o desequilíbrio do avião, por uma sustentação resultante. Ela será aplicada em um ponto chamado ponto neutro. Que está situado entre o CP da asa e o CP do estabilizador.

A estabilidade estática longitudinal depende das posições relativas do CG e do ponto neutro, como mencionado abaixo.

• Quando o CG está à frente do ponto neutro, o avião é estaticamente estável, porque tende a voltar ao equilíbrio.
• Quando o CG está atrás do ponto neutro, o avião é estaticamente instável, porque tende a piorar o desequilíbrio.

Concluímos então que um avião é estaticamente estável quando o CG está localizado a frente do ponto neutro.

Isso cria uma tendência de o avião baixar o nariz, a qual pode ser compensada por uma pequena sustentação negativa no estabilizador. O avião fica dessa forma equilibrado para a velocidade de cruzeiro.

Se a velocidade for aumentada, a sustentação negativa do estabilizador irá aumentar e fará o avião subir. E se a velocidade for reduzida, acontecerá o contrário e o avião começara a descer e ganhar velocidade. Isso evita a perda de velocidade e um possível estol.

Evidentemente, um avião deve ser estaticamente estável para ser facilmente controlável. Entretanto, isso não é suficiente, porque um avião estaticamente estável pode ainda ter três diferentes tipos de comportamento quando afastado da condição de equilíbrio.

• Dinamicamente estável – Tende a voltar ao equilíbrio e logo se estabiliza com poucas ou quase nenhuma oscilação
• Dinamicamente instável – Tenta voltar ao equilíbrio com exagerado ímpeto e as oscilações crescem cada vez mais.
• Dinamicamente indiferente – Tenta voltar ao equilíbrio, mas sempre o ultrapassa e entra numa oscilação permanente.

Todo avião deve ser estaticamente e dinamicamente estável porem existem aviões que sacrificam em parte a estabilidade a fim de obter maior manobrabilidade, como é o caso dos aviões de acrobacias e os caças. Isso é necessário pois um avião muito estável torna-se mais difícil de ser manobrado porque o avião resiste aos comandos do piloto. Já aviões de passageiros possuem alta estabilidade, a fim de oferecer conforto aos passageiros.

Estabilidade lateral

É a estabilidade em torno do eixo longitudinal. Quando um avião sofre um desequilíbrio lateral, através de uma rajada assimétrica, por exemplo, seu comportamento pode assumir umas das características a seguir.

• Estaticamente estável  – O avião tende a retornar ao equilíbrio inicial.
• Estaticamente indiferente – O avião mantém o desequilíbrio inicial.
• Estaticamente instável – O avião tende a ampliar o desequilíbrio inicial.

A estabilidade lateral é menos importante do que a estabilidade longitudinal porque os esforços laterais no avião são geralmente pequenos.

Existem cinco fatores que influenciam na estabilidade lateral, são eles:

• Diedro
• Enflexamento
• Efeito quilha
• Efeito fuselagem
• Distribuição de pesos

Diedro

Num avião lateralmente desequilibrado, a sustentação inclinada provoca uma glissada na direção da asa mais baixa. Essa glissada muda a direção do vento relativo, que passa a ter uma componente lateral. Se o avião possuir diedro, o vento tende a incidir contra o intradorso numa asa e contra o extradorso na outra.

Isso significa que os ângulos de ataque serão diferentes, tendo assim sustentações diferentes. Se o diedro for positivo, essa diferença tende a estabilizar o avião, conforme mostra a figura. Se o diedro for negativo, o efeito será o oposto, mas isso não significa que o avião será instável.

Enflexamento

Durante uma glissada ou derrapagem, o enflexamento faz com que uma das asas receba o vento lateral em maior extensão do que a outra, produzindo então mais sustentação. Isso influi na estabilidade lateral, conforme mostra a figura.

Efeito de quilha

O vento lateral produz forças sobre as superfícies laterais do avião, podendo torna-lo:

• Estável – Quando a área lateral acima do CG é maior do que a área lateral abaixo do CG
• Instável – Quando a área lateral acima do CG é menor do que a área lateral abaixo do CG.

Efeito de fuselagem

Trata-se de uma interferência da fuselagem sobre a asa.

Em aviões de asa baixa a fuselagem bloqueia o fluxo do vento lateral, criando áreas de alta e baixa pressão sobre a asa, que diminuem o efeito do diedro. Em aviões de asas alta, pelo contrário, aumenta o efeito do diedro.

Distribuição dos pesos

Um avião de asa alta tende a ser mais estável porque o efeito de fuselagem e o efeito de quilha atuam juntos para aumentar a estabilidade. No avião de asa baixa, ambos os efeitos são desfavoráveis. A asa contribui também no efeito de quilha, produzindo uma força lateral que favorece o avião de asa alta.

Um avião não deve ter estabilidade lateral exagerada porque deixará de obedecer adequadamente ao comando dos ailerons. Por essa razão, quando o efeito de diedro é excessivo, há a necessidade de utilizar meios para tornar o avião menos estável. Um exemplo é o diedro negativo, que é utilizado em alguns aviões.

Estabilidade dinamicamente lateral – Um avião estaticamente estável quanto ao equilíbrio lateral tende a voltar ao equilíbrio sempre que sofrer alguma interferência externa, mas nem sempre conseguirá.

Existem três comportamentos possíveis.

• Dinamicamente estável – O avião volta ao equilíbrio inicial, amortecendo as oscilações.
• Dinamicamente indiferente – O avião tenta volta ao equilíbrio, mas não consegue amortecer as oscilações.
• Dinamicamente instável – O avião tenta voltar ao equilíbrio com ímpeto excessivo e as oscilações aumentam.

Estabilidade direcional

É a estabilidade em torno do eixo vertical. Se um avião estiver fora de equilíbrio poderá apresentar três diferentes comportamentos.

• Estaticamente estável – o avião tende a retornar ao equilíbrio inicial
• Estaticamente indiferente – O avião mantém o desequilíbrio inicial
• Estaticamente instável – O avião tende a ampliar o desequilíbrio inicial.

A estabilidade direcional é menos importante do que a estabilidade longitudinal porque os esforços nela envolvidos são pequenos. Não há riscos estruturais imediatos quando um avião tem pouca estabilidade direcional.

Existem dois fatores responsáveis pela estabilidade direcional de um avião:

• Enflexamento
• Efeito quilha

Quando um avião com asa enflexada sofre um desvio para um dos lados, ele derrapará, ficando com uma das asas mais exposta ao vento relativo do que a outra, gerando assim mais arrasto. Isso cria uma guinada que pode corrigir a derrapagem ou não, dependendo do tipo de enflexamento.

Efeito de quilha

O efeito de quilha é provocado pela ação do vento relativo as áreas laterais do avião. Quanto maior a área lateral atrás do CG, maior será a estabilidade direcional do avião.

Obs: Conforme já estudamos, o diedro é usado para gerar mais sustentação numa das asas e assim criar mais estabilidade lateral. Porem sustentação maior significa também arrasto maior, portanto o diedro afeta a estabilidade direcional. Porem esse efeito normalmente é muito pequeno e não é considerado um fator determinante na estabilidade direcional.

De maneira semelhante aos equilíbrio longitudinal e lateral, a estabilidade direcional admite também três tipos de estabilidade dinâmica.

• Dinamicamente estável – O avião volta ao equilíbrio inicial, amortecendo as oscilações.
• Dinamicamente indiferente – O avião tenta volta ao equilíbrio, mas não consegue amortecer as oscilações.
• Dinamicamente instável – O avião tenta voltar ao equilíbrio com ímpeto excessivo e as oscilações aumentam.

Início