¿En qué consiste el momento de cabeceo?

El momento de cabeceo de los aviones se debe a que la fuerza de sustentación que se crea en las alas, no está alineada con el centro de gravedad de la aeronave. En los modernos aviones comerciales, normalmente esta fuerza de sustentación total representada en el centro de presiones del ala, se encuentra situada por detrás del centro de gravedad, que actúa como una fuerza en sentido opuesto. La distancia "d" que separa estas dos fuerzas multiplicada por la magnitud de la fuerza ascensional, es lo que se conoce como momento "m" o momento de cabeceo. Es decir, la tendencia del morro del avión a irse hacia abajo rotando sobre el centro de gravedad.

Para poder compensar esta tendencia se utiliza el sistema trim (compensación) y los elevadores. El sistema de compensación "trim" actúa sobre el estabilizador horizontal descargando la fuerza de los elevadores. En el diagrama que sigue se puede ver que la flecha verde situada en la cola ayuda a compensar la tendencia o momento de cabeceo. Ahora el avión es estable. La cola del avión actúa creando fuerza aerodinámica hacia abajo. Es exactamente lo que hacen los coches de fórmula 1 en los circuitos. La fuerza descendente (downforce) es lo que presiona hacia abajo los vehículos de Fórmula 1. Está generada por la baja presión existente bajo el chasis del coche y aumenta la adherencia. Este efecto permite tomar las curvas a mayor velocidad, sobre todo en los circuitos más lentos. En los aviones actúa de forma similar compensando el momento de cabeceo.

Cambios del centro de gravedad

Si en mitad del vuelo los pilotos llaman a los asistentes de vuelo para que les lleven un menú desde el galley posterior, entonces el centro de gravedad se desplazará hacia adelante cuando estos lleguen al cockpit. Este efecto depende de lo pesado que sea el avión (cuanto más pesado, el avión lo acusa menos). El piloto automático si está conectado compensa esta situación. Ahora la distancia "d" es mucho mayor y la fuerza de los elevadores o la compensación trim tienen que ser mayor. 

El resultado de tener un centro de gravedad adelantado tiene sus ventajas y sus inconvenientes, por un lado hace que el avión sea más estable, pero por otro hace que la fuerza de compensación cree más resistencia al avance (más drag), el avión puede empezar a perder altura, con lo cual esto debe  de ser compensado con más sustentación creada a base de empuje y ello, a su vez, conlleva más gasto de combustible.

Si por cualquier motivo el centro de gravedad se viera desplazado hacia atrás, (consumo de combustible o incorrecto centrado de la carga, por ejemplo), el avión no necesitaría tanta fuerza hacia abajo en los elevadores o en el sistema trim. Existe un momento de cabeceo muy pequeño. El avión consumiría menos combustible al tener menos resistencia, pero por contra sería menos estable. 

Esto es lo que se ha hecho a propósito en el E2, la versión más avanzada y moderna de la familia E-Jet. Aparte de cambiar a un motor de nueva generación, Embraer se decidió a rediseñar completamente el ala y la ha colocado en una posición más avanzada para que la distancia con el CG sea menor. El pequeño incremento de inestabilidad es compensado por el sistema FBW.

En algunos aviones de caza esta mayor inestabilidad puede llegar a ser una ventaja. En el caso más extremo tenemos al F-16, que carece de un centro de gravedad "real" para los cálculos de vuelo. En su lugar el FCC o Flight Control Computer efectúa unos cálculos basados en un centro de gravedad virtual. Esto posibilita al caza norteamericano ser muy ágil en combate. La contra partida es que si el avión se queda sin energía eléctrica y los ordenadores no pueden calcular la posición de este centro de gravedad, el caza es inestable y no puede ser controlado. La estabilidad relajada o inestabilidad creada a propósito es un principio básico que posibilita al caza ser más ágil en combate cerrado (dog-fight). 

Para ayudar a los pilotos a soportar la gran cantidad de fuerzas g que se sufren en este tipo de virajes cerrados, se optó por desplazar la palanca de mando hacia un lateral (derecho), donde el piloto pueda reposar el antebrazo y así ejerce fuerza sobre el mando más que movimiento (la palanca se mueve muy poco). Los ingenieros también inclinaron unos 30° el asiento para que todo el cuerpo fuera capaz de soportar mejor estas fuerzas. Todo esto, junto con el sistema de vuelo Fly-By-Wire han hecho de este caza un auténtico campeón del combate aéreo cercano.