Las falsas riostras

Con esta entrada comienza una nueva sección cuyo objetivo es el de conocer la función de algunos componentes del avión que suelen pasar desapercibidos aunque tienen una gran importancia a nivel estructural o aerodinámico. Hoy nos fijaremos en las falsas riostras, veremos porqué son necesarias, como funcionan y porqué algunos aviones las tienen y otros no. Las falsas riostras son esos tubos normalmente de pequeño diámetro que conectan las riostras con el ala. 

La sustentación es una fuerza que se distribuye de forma elíptica a lo largo del ala pero simplificando podemos considerarla como una fuerza en sentido vertical aplicada en un lugar especifico de la envergadura. Cada semiala genera la sustentación equivalente a la mitad del peso total del avión (multiplicado por el factor de carga). La sustentación se dirige hacia arriba (respecto al avión, no respecto a la Tierra). Esto hace que las alas tiendan a moverse hacia arriba rotando alrededor del fuselaje. Algunos aviones vuelan en invertido y a veces las alas se ven sometidas a fuerzas de inercia negativas lo que hace que tiendan a moverse hacia abajo. Vemos por tanto que cuando se les somete a cargas positivas o negativas los elementos de la estructura se mueven unos respecto a otros. 

Las alas pueden construirse con estructuras de tipo cantilever como por ejemplo el Tecnam P96, Zenair 601 o RV-8 o pueden ser arriostradas como en la Piper Cub, RANS Courier y Coyote, Kitfox, Tecnam P92 o ICP Savannah. Las riostras conectan el ala con la parte inferior del fuselaje formando una estructura triangular que las mantiene en posición. Cuando el avión está en vuelo las riostras trabajan en tensión ya que la sustentación hace que las alas tiendan a moverse hacia arriba, en Tierra o cuando el avión se somete a cargas negativas las riostras trabajan en compresión ya que el ala tiende a moverse hacia abajo. 

Como siempre, hay excepciones, algunos aviones como la Piper PA-25 Pawnee agrícola de ala baja tienen las riostras por encima de las alas lo que hace que normalmente trabajen en compresión y que con cargas negativas trabajen en tensión. Algunos aviones tienen una sola riostra, otros tienen dos, depende de como se haya diseñado el ala para resistir los esfuerzos en torsión. Si la propia estructura del ala soporta la torsión basta con una riostra, si no la soporta (por ejemplo, aviones entelados) hacen falta dos. A veces las dos riostras se instalan paralelas entre si y se sujetan al fuselaje en dos puntos diferentes pero la mayoría de las veces se conecta una con la otra formando una estructura en forma de V que se sujeta al fuselaje en un solo punto.

Cuando las riostras trabajan en tensión no hay demasiados problemas siempre que no sobrepasemos la carga máxima para la que ha sido diseñada la estructura, pero cuando trabajan en compresión la cosa se complica un poco más. Si nos fijamos, las riostras son bastante largas comparadas con su sección transversal.  Aunque el material con el que se fabrican soporte igual de bien las cargas en tensión que en compresión, eso solo es válido cuando la longitud no es muy grande. El hecho de que las riostras sean tan largas introduce un problema, cuando se les somete a compresión tienden a pandearse y si ese pandeo supera un cierto límite la riostra colapsa y lo hace con esfuerzos muy inferiores a los que el material puede soportar en compresión. Evidentemente, que eso suceda en vuelo no es nada bueno.

Se puede hacer el experimento de ponerse de pie sobre una lata de refresco vacia. La lata soporta nuestro peso pero tan pronto es golpeada lateralmente aún con una fuerza minúscula la lata colapsa y se derrumba.

¿A que se debe este pandeo? 

Idealmente la riostra se fabrica perfectamente recta y con una sección transversal idéntica en toda su longitud. Sin embargo en la vida real eso es imposible de conseguir. Nunca se consigue una extrusión perfectamente recta con una sección idéntica, siempre hay pequeñas imperfecciones aunque sean difíciles de apreciar a simple vista. Además, las cargas a las que se someten la riostras a veces tampoco están perfectamente alineadas con el eje longitudinal de las mismas. El resultado de todo esto es que hay una pequeñísima distancia entre la línea en que se aplica la carga y el centroide de la riostra. No os asustéis, centroide es simplemente una palabra sofisticada para indicar el punto a cuyo alrededor se distribuye por igual la masa de la sección transversal de la riostra. Imaginemos un tubo redondo, si la extrusión fuera perfecta el centroide coincidiría con el centro geométrico pero en la vida real, dependiendo de como se distribuye el material el centroide se desplaza en la dirección hacia donde hay más material. Esta pequeña distancia entre el centroide, el centro geométrico y/o la línea en que se aplica la carga de compresión crea un momento que es lo que inicia el pandeo. El valor del momento equivale a la carga multiplicada por la distancia. A medida que este aumenta, aumenta también la distancia entre el centroide y la línea de aplicación de la carga lo que incrementa el momento que a su vez incrementa el pandeo. Y así hasta que se alcanza un valor crítico y la riostra colapsa o se rompe.

En el siglo XVIII el matemático suizo Leonhard Euler desarrolló una fórmula que permite conocer cuál es la carga máxima que una columna puede soportar antes de comenzar a pandearse.

C es una constante que depende del grado de rigidez de la sujeción de los extremos. En el caso de aviones los extremos de la riostra pueden rotar y C es igual a 1.

E es el módulo de elasticidad del material

I es el momento de inercia de la sección transversal de la riostra

L es la longitud de la riostra

Para el objetivo de este artículo no es necesario conocer en profundidad lo que es el módulo de elasticidad, el momento de inercia o como varía la constante C en función de la rigidez de los extremos, aún no entendiendo estos parámetros el concepto queda suficientemente claro. 

Vemos en la fórmula que cuanto mayor es la longitud menor es la carga crítica que hace colapsar la riostra ya que la longitud está en el denominador de la fórmula y elevada al cuadrado. Por tanto, una riostra corta aguantará más esfuerzo que una riostra larga antes de pandear. De la misma manera una riostra con una sección transversal grande aguantará más esfuerzo que otra con una sección transversal más pequeña. Y un material con un módulo de elasticidad grande aguantará más esfuerzo que otro con un módulo de elasticidad pequeño.

¿Como podemos evitar el pandeo de la riostra? 

Pues la solución es muy simple, instalando una falsa riostra que evite que la riostra comience a pandear. Si la riostra comenzara a curvarse hacia arriba la falsa riostra trabajaría en compresión empujando a la riostra hacia abajo. Si la riostra comenzara a curvarse hacia abajo la falsa riostra trabajaría en tensión estirando la riostra hacia arriba.

¿Porqué algunos aviones no tienen falsas riostras?

Como hemos visto, el valor de la carga máxima sin pandeo depende del modulo de elasticidad del material, del momento de inercia, de la rigidez de los extremos y de la longitud. En función de esos parámetros la carga máxima será mayor o menor. Siempre que la carga máxima sin pandeo sea mayor que la carga axial máxima en compresión que debe aguantar la riostra no se necesitan falsas riostras. Pero si esta carga máxima sin pandeo es igual o menor que la carga axial máxima existe el riesgo de que la riostra colapse. La carga axial también depende del ángulo entre la riostra y el ala. En esta situación el diseñador debe llegar a un compromiso entre el peso, la resistencia aerodinámica y el coste de material. Debe decidir si añade falsas riostras (lo que implica un pequeño aumento de la resistencia aerodinámica), si utiliza un material con un módulo de elasticidad mayor o si incrementa el momento de inercia usando una extrusión con una sección transversal mayor, con una pared mayor o añadiendo placas de refuerzo.

Para aviones con dos riostras además hay que determinar qué porcentaje de la carga se lleva la riostra delantera y que porcentaje la riostra trasera. Lo normal es que la delantera se lleve más porcentaje que la trasera, por eso a veces vemos que la riostra delantera es más grande que la trasera o vemos que sólo hay falsa riostra delante pero no detrás.

Para finalizar, sólo añadir que además de todo esto, las falsas riostras también evitan que las riostras vibren debido a la interacción con el aire en vuelo, especialmente la riostra trasera. Algunos aviones tienen riostras cuya sección transversal incluye un pequeño labio a modo de turbolator que también ayuda a neutralizar las vibraciones.