¿Por qué las costillas de las alas tienen puntales diagonales?

Las bielas diagonales son las mejores para transferir cortante. Imagine una carga apuntando hacia arriba en la nariz. Para transferir esa carga al fuselaje, primero debe transferirse al larguero del ala. Imagina ahora que sostienes la costilla firmemente con la mano derecha donde está el larguero y presionas la nariz hacia arriba con la mano izquierda. Con puntales paralelos, la nervadura tendrá mucha menos rigidez y la carga de la punta deformará la nervadura fácilmente. Con los puntales diagonales, la nervadura es mucho más rígida cuando se aplica esa carga de punta particular.

Esto no es realmente específico de la aviación, es solo una buena práctica de ingeniería estructural. Los triángulos en las estructuras son fuertes porque no se doblan: de cualquier manera que apliques la carga al triángulo, la carga es a lo largo de los miembros. Con un rectángulo, cualquier carga que no esté perfectamente alineada con la estructura doblará las juntas y aplastará el rectángulo en forma de diamante, que luego se aplastará fácilmente. No quieres rectángulos en tu estructura en ninguna parte.

Es un braguero . Idealmente, todos los elementos de viga en una armadura están en tensión o compresión, sin grandes cargas de flexión. Esto ofrece el peso más ligero para la carga dada.

Este mismo diseño se ve comúnmente al aire libre en puentes de acero, grúas de construcción y naves espaciales. Los triángulos que componen una armadura no se pueden doblar sin cambiar las longitudes de los elementos. Si todos los puntales fueran verticales, la estructura sería de rectángulos, que se pueden deformar fácilmente doblando las juntas.

Es para hacer que el ala sea rígida y resistente a la torsión. Para la rigidez de torsión, quieres dos cosas. En primer lugar, desea la mayor cantidad posible de material en la fibra más externa. Cuanto más lejos esté el material del eje neutral, más contribuye a la rigidez de torsión debido al brazo de momento del eje neutral.

En segundo lugar, desea que la sección transversal permanezca sin deformar. Considere, por ejemplo, una 'carcasa' de caja de fósforos, que en teoría es muy rígida para la torsión. Sin embargo, si las fuerzas no entran en la caja de fósforos exactamente de la manera correcta, los extremos abiertos se deformarán en forma de diamante y se torcerán fácilmente. Este corte en forma de diamante se puede evitar colocando deflectores en la caja de fósforos.

Esta es, de hecho, la razón por la que las alas tienen nervaduras: para que las alas mantengan su sección transversal transfiriendo las cargas de cizallamiento debidas a la torsión desde y hacia los revestimientos superior e inferior del perfil aerodinámico. En términos de rigidez, las placas delgadas serían ideales, pero son propensas a pandearse, por lo que se utiliza una estructura de puntales en su lugar. La mejor manera de transferir cargas de corte con puntales es usar diagonales.

En resumen: los puntales diagonales transfieren cargas de corte para aumentar la resistencia a la torsión y la rigidez del ala.

Una imagen superior del número 2 podría haber sido un poco mejor, pero observe que los puntales cruzados "insignificantes" corren en ambos sentidos, como en el ala de un biplano antiguo. Su función sería ayudar a evitar que el ala colapse HACIA ATRÁS como resultado de un exceso de velocidad. (Los rayos en las llantas también pueden parecer insignificantes, pero la llanta no puede salir redonda porque los rayos, a 90 grados de la carga, no se pueden separar).

Esto parece ser un poco de seguro agregado con sensatez, pero no, probablemente no aumentarían la rigidez torsional del ala.

En cuanto al diseño de las nervaduras en sí, como se mencionó, 1 es un truss clásico. 2 tiene el centro de la nervadura rectangular relleno con metal y la porción circular central y los bordes hechos como una viga en I para mayor resistencia. 1 de madera, 2 de metal estampado.

En cuanto a hacer un ala más rígida a la torsión, podría considerar reemplazar la piel de aluminio con madera contrachapada o algún tipo de material compuesto. Otros pueden saber cómo hacerlo mejor dentro del ala.