Seguramente habrás oído alguna vez que la posición del centro de gravedad (CG) influye en el comportamiento y en las prestaciones de una aeronave. Pero entender exactamente por qué ocurre esto requiere analizar cómo se equilibran las fuerzas durante el vuelo.
La idea básica es bastante sencilla: cuando desplazamos el centro de gravedad hacia delante o hacia atrás, modificamos el esfuerzo que debe realizar el estabilizador horizontal para mantener el avión equilibrado. Ese cambio afecta también a la sustentación necesaria y, como consecuencia, a la resistencia aerodinámica.
Y aquí aparece una relación fundamental:
más sustentación → más resistencia inducida → peores prestaciones.
Veamos por qué.
Todo es una cuestión de equilibrio y brazos de palanca
Podemos imaginar que el avión se encuentra equilibrado alrededor de su centro de gravedad, que es el punto en el que consideramos aplicada la resultante de su peso.
La sustentación del ala, sin embargo, actúa en otro punto, situado normalmente por detrás del centro de gravedad en una aeronave convencional estable.
Como ambas fuerzas no actúan exactamente sobre el mismo punto, se genera un momento de cabeceo que tiende a hacer bajar el morro del avión.
Para compensarlo entra en juego el estabilizador horizontal.
En condiciones normales, la cola genera una fuerza aerodinámica dirigida hacia abajo, conocida como fuerza descendente de cola o tail-down force. Esta fuerza produce un momento en sentido contrario al generado por el peso y la sustentación, permitiendo que el avión permanezca equilibrado.
Podemos considerar, de forma simplificada, que el estabilizador horizontal funciona como una pequeña superficie sustentadora que trabaja en sentido contrario al ala principal.
La cantidad de fuerza que debe generar depende principalmente de dos factores:
el peso del avión;
la posición del centro de gravedad.
Cuanto más adelantado esté el CG, mayor será el momento
El principio físico es sencillo:
Momento = Fuerza × Distancia
Esto significa que una fuerza relativamente pequeña aplicada lejos del punto de referencia puede compensar otra fuerza mucho mayor aplicada a menor distancia.
Cuando desplazamos el centro de gravedad hacia delante, aumenta la distancia entre el CG y el punto donde actúa la sustentación del ala.
Como consecuencia, aumenta también el momento que tiende a bajar el morro.
Para mantener el avión equilibrado, el estabilizador horizontal deberá generar una mayor fuerza hacia abajo.
Por tanto:
CG más adelantado → mayor momento de morro abajo → mayor fuerza descendente de cola.
Y esto tiene consecuencias directas sobre la sustentación que debe producir el ala.
¿No habíamos aprendido que la sustentación es igual al peso?
Al estudiar inicialmente las cuatro fuerzas del vuelo solemos utilizar un modelo simplificado:
sustentación;
peso;
empuje;
resistencia.
En vuelo recto y nivelado se explica normalmente que la sustentación es igual al peso.
Sin embargo, cuando analizamos con mayor precisión una aeronave convencional, debemos tener en cuenta también la fuerza descendente producida por el estabilizador horizontal.
El ala no solamente tiene que compensar el peso del avión. También debe compensar esa fuerza adicional que empuja la cola hacia abajo.
Por tanto, podemos expresarlo de una forma más completa:
Sustentación = Peso + Fuerza descendente de cola
Pongamos un ejemplo sencillo.
Si un avión pesa 600 kg y la cola está generando el equivalente aerodinámico a 30 kg de fuerza hacia abajo, el ala deberá generar aproximadamente una fuerza ascendente equivalente a 630 kg para mantener el vuelo nivelado.
Por eso, cuando aumenta la fuerza descendente de cola, también debe aumentar la sustentación producida por el ala.
¿Y qué ocurre con la resistencia?
Aquí aparece la relación con las prestaciones.
Para producir más sustentación necesitamos aumentar el coeficiente de sustentación, normalmente mediante un incremento del ángulo de ataque.
Pero al aumentar la sustentación también aumenta la resistencia inducida.
El proceso puede resumirse así:
CG más adelantado
→ mayor fuerza descendente de cola
→ mayor sustentación necesaria en el ala
→ mayor ángulo de ataque
→ mayor resistencia inducida
→ mayor empuje necesario.
En un avión de pistón, ese mayor empuje se traduce normalmente en mayor potencia requerida y mayor consumo de combustible para mantener las mismas condiciones de vuelo.
Por ese motivo, un avión con el centro de gravedad situado hacia la zona delantera de su envolvente suele presentar unas prestaciones ligeramente inferiores que el mismo avión volando con un CG situado más atrás.
¿Entonces es mejor volar siempre con el CG retrasado?
No necesariamente.
Aunque un centro de gravedad más retrasado puede reducir la fuerza descendente necesaria en la cola y disminuir ligeramente la resistencia, desplazarlo demasiado hacia atrás tiene consecuencias mucho más importantes relacionadas con la estabilidad longitudinal.
Cuando el CG se aproxima al límite posterior, disminuye la tendencia natural del avión a recuperar su actitud después de una perturbación.
El avión se vuelve progresivamente menos estable y más sensible a los movimientos del mando de profundidad.
Si el centro de gravedad se desplazara excesivamente hacia atrás, podría llegarse a una situación en la que la aeronave fuese longitudinalmente inestable.
En el extremo contrario, un centro de gravedad excesivamente adelantado también puede resultar peligroso.
La cola podría no disponer de suficiente autoridad aerodinámica para levantar el morro en determinadas situaciones, especialmente:
durante la rotación en el despegue;
durante la recogida en el aterrizaje;
o cuando se utilizan determinadas configuraciones de flaps.
Por eso los fabricantes establecen unos límites delantero y trasero del centro de gravedad que nunca deben sobrepasarse.
El CG puede cambiar durante el vuelo
Otro aspecto importante es que la posición del centro de gravedad no tiene por qué permanecer constante durante todo el vuelo.
El consumo de combustible puede modificarla.
Dependiendo de dónde estén situados los depósitos respecto al centro de gravedad, al consumir combustible el CG puede desplazarse hacia delante o hacia atrás.
Por esta razón no basta con comprobar que el avión se encuentra dentro de límites antes del despegue.
La planificación de peso y centrado debe garantizar que la aeronave permanecerá dentro de su envolvente de centro de gravedad durante todas las fases del vuelo, incluido el aterrizaje.
En resumen
La posición del centro de gravedad afecta directamente al equilibrio longitudinal del avión y, por tanto, también a sus prestaciones.
Un centro de gravedad adelantado obliga normalmente al estabilizador horizontal a producir una mayor fuerza hacia abajo. Esto hace que el ala tenga que generar más sustentación, aumentando la resistencia inducida y la potencia necesaria.
Un centro de gravedad más retrasado reduce ese efecto y puede mejorar ligeramente las prestaciones, pero también disminuye la estabilidad longitudinal.
Por ello, no se trata de buscar el centro de gravedad más adelantado o más retrasado posible, sino de mantenerlo siempre dentro de los límites establecidos por el fabricante y correctamente calculado para cada vuelo.
La regla práctica es sencilla:
CG adelantado = mayor estabilidad, pero algo más de resistencia y peores prestaciones.
CG retrasado = menor resistencia y mejores prestaciones, pero menor estabilidad longitudinal.
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