Centro de presión (mecánica de fluidos)

El centro de presión es el punto donde se concentra la suma total de las fuerzas de presión que actúan sobre un cuerpo. Esta concentración causa que el punto manifieste una fuerza equivalente al campo de presión que lo crea. La identificación y análisis del centro de presión son fundamentales para predecir cómo las fuerzas de presión afectarán la estabilidad y el comportamiento de estructuras y vehículos en entornos fluidos.

Esta fuerza total es el resultado de integrar el campo del vector de presión a lo largo de la superficie del objeto. Es importante destacar que la fuerza resultante y la ubicación del centro de presión generan un efecto equivalente en el cuerpo, tanto en fuerza como en momento, al que produciría el campo de presión original.

Los campos de presión se producen tanto en la mecánica de fluidos estática como en la dinámica. Determinar el centro de presión y su vector de fuerza asociado es esencial para calcular el momento que se genera sobre cualquier punto en un objeto. Esto se logra mediante una traslación desde un punto de referencia hasta el nuevo punto de interés. Es interesante notar que, aunque comúnmente el centro de presión se encuentra dentro del cuerpo en estudio, en ciertos flujos de fluidos, la magnitud del momento generado por el campo de presión puede ser tal que el centro de presión se sitúe fuera del objeto.

El centro de presión es importante para el diseño de aeronaves, vehículos marinos, y estructuras expuestas a corrientes de aire o agua. Comprender y calcular correctamente el centro de presión es fundamental para garantizar la seguridad, eficiencia y estabilidad de estas estructuras frente a las fuerzas dinámicas propias de los fluidos.

HSD

Ejemplo hidrostático (represa)

Como las fuerzas del agua en una presa son fuerzas hidrostáticas, varían linealmente con profundidad. La fuerza total en la presa es entonces la parte integral de la presión multiplicada por el ancho de la presa como una función de la profundidad. El centro de presión está situado en el centroide del campo de presión en forma triangular 23{fnMicroc} {2}{3}} desde la parte superior de la línea de agua. La fuerza hidrostática y el momento de la represa alrededor de algún punto se pueden calcular desde la fuerza total y el centro de ubicación de presión en relación con el punto de interés.

Aerodinámica de aeronaves

Una configuración estable es deseable no solo en la navegación, sino también en el diseño de aeronaves. Por lo tanto, el diseño de aeronaves tomó prestado el término centro de presión. Y como una vela, una superficie aerodinámica asimétrica rígida 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 ser representado por un solo vector de fuerza sin momento. 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.

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 vean alterados (por, por ejemplo, cizalladura del viento/ráfagas verticales), la aeronave vuelva 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 intervención de un piloto o piloto automático, debe tener una estabilidad estática longitudinal positiva.

Aerodinámica de misiles

Por lo general, los misiles no tienen un plano preferido o una dirección de maniobra y, por lo tanto, tienen perfiles aerodinámicos simétricos. Dado que el centro de presión de las superficies aerodinámicas simétricas 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 se define típicamente como el centro del campo de presión adicional debido a un cambio en el ángulo de ataque fuera del ángulo de ataque.

Para los cohetes no guiados, la posición de ajuste 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 como resultado 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 alejado del morro del vehículo que el centro de gravedad. En misiles con ángulos de ataque más bajos, las contribuciones al centro de presión están dominadas por el morro, las alas y las aletas. La derivada normalizada del coeficiente de fuerza normal con respecto al ángulo de ataque de cada componente multiplicada por la ubicación del centro de presión se puede usar para calcular un centroide que representa el centro de presión total. El centro de presión del campo de flujo agregado está detrás del centro de gravedad y la fuerza adicional "puntos" en la dirección del ángulo de ataque añadido; 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 la aleta no desviada. Este es el centro de presión de cualquier pequeño cambio en el ángulo de ataque (como se define arriba). Una vez más, para una estabilidad estática positiva, esta definición de centro de presión requiere que el centro de presión esté más alejado del morro que el centro de gravedad. Esto asegura que cualquier fuerza incrementada que resulte del ángulo de ataque incrementado resulte en un momento de restauración incrementado para hacer retroceder el misil a la posición recortada. En el análisis de misiles, el margen estático positivo implica que el vehículo completo realiza un momento de restauración para cualquier ángulo de ataque desde la posición de compensación.

Movimiento del centro de presión para campos aerodinámicos

El centro de presión en un perfil aerodinámico simétrico generalmente se encuentra cerca del 25 % de la longitud de la cuerda detrás del borde de ataque del perfil aerodinámico. (Esto se denomina "punto de 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. 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 las aeronaves toma una forma diferente que en los misiles.

En un perfil aerodinámico combado, el centro de presión no ocupa una ubicación fija. Para un perfil aerodinámico combado convencionalmente, el centro de presión se encuentra un poco detrás del punto de un cuarto de cuerda en el coeficiente de sustentación máximo (ángulo de ataque grande), pero a medida que se reduce el coeficiente de sustentación (ángulo de ataque reducido) el centro de presión se mueve hacia la parte trasera. Cuando el coeficiente de sustentación es cero, un perfil aerodinámico no genera sustentación, pero un perfil aerodinámico combado convencionalmente 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 cámara refleja, el centro de presión se encuentra un poco por delante del punto de un 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 reduce) 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 cámara 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 una superficie aerodinámica con arqueo reflejo tiene un efecto estabilizador.

La forma en que se mueve el centro de presión a medida que cambia el coeficiente de sustentación dificulta el uso del centro de presión en el análisis matemático de la estabilidad estática longitudinal de una aeronave. Por ello, 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, generalmente cerca del punto de un cuarto de cuerda.

El centro aerodinámico es el punto de partida conceptual para la estabilidad longitudinal. El estabilizador horizontal aporta estabilidad extra 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 denomina punto neutral.

Uso histórico para barcos a vela

El centro de presión se usa 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 el "helm" y es un timón de meteorología o un timón de sotavento. Algunos marineros consideran que una ligera cantidad de timón es una situación deseable, tanto desde el punto de vista de la "sensación" del timón, y la tendencia del barco a navegar ligeramente a barlovento con ráfagas más fuertes, hasta cierto punto emplumando las velas. Otros marineros no están de acuerdo y prefieren un timón neutral.

La causa fundamental del "timón", ya sea por el tiempo o por sotavento, es la relación del centro de presión del plan de vela 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 buque es querer virar en contra del viento.

Si la situación es a la inversa, con el centro de presión por delante del centro de resistencia lateral del casco, un "sotavento" dará como resultado un timón, que generalmente se considera indeseable, si no peligroso. Demasiado de cualquiera de los timones no es bueno, ya que obliga al timonel a mantener el timón desviado para contrarrestarlo, lo que induce una resistencia adicional más allá de lo que experimentaría una embarcación con un timón neutral o mínimo.