¿Por qué se supone que el CG está entre el CP y la cola?

Es importante distinguir entre las fuerzas de estabilidad longitudinal y las fuerzas de compensación, y encuentro que la literatura en general hace un trabajo muy pobre al explicarlo para el cuasi-lego. Utilizo este concepto para que sea más fácil imaginar lo que está pasando en tu mente.

La estabilidad longitudinal es simplemente la veleta del avión alrededor de la C de G hacia la corriente de aire, como la veleta en un granero girada de modo que su eje sea horizontal. En otras palabras, la estabilidad de cabeceo estático de un avión es simplemente un efecto de veleta horizontal.

Para que el avión sea estable longitudinalmente, simplemente tiene que ser bueno en esta acción de veleta. Esto solo requiere que el centro aerodinámico general de la huella horizontal combinada de alas, góndolas, fuselaje y superficies de cola, el punto neutral, esté detrás de la "bisagra de la veleta", la C de G.

Dentro de ese sistema, debe tener un medio para controlar el ángulo real del viento relativo que con la veleta buscará al hacer su cosa de veleta. Esto le permite usar una gran superficie de elevación para sostener todo, que puede forzar a operar en un ángulo con respecto a la corriente de aire para generar la fuerza de elevación, y mantenerla en ese ángulo a medida que cambia la dirección relativa del viento. Si no lo hace, terminará con un dardo para césped, que tiene una tremenda estabilidad longitudinal (su punto neutral está MUY atrás del C de G) pero solo puede ir en arcos balísticos.

Esto se hace creando un equilibrio de fuerzas opuestas dentro de la veleta; una fuerza que busca la rotación alrededor del eje de pivote en una dirección, opuesta por una fuerza que intenta rotar la veleta en la dirección opuesta.

Si quita una veleta de un establo, que normalmente quiere apuntar directamente al flujo de aire (flujo de aire paralelo a su eje longitudinal), y dobla la parte más trasera para que desvíe el aire localmente hacia un lado, y la pega de nuevo en el establo, ahora apuntará al viento con un desplazamiento; hay una fuerza que empuja el extremo trasero hacia afuera, y cuando eso sucede, se acumula una fuerza opuesta que resiste ese movimiento hasta que estén en equilibrio y la veleta ahora buscará apuntar hacia el viento en cualquier ángulo de compensación en el que se alcance el punto de equilibrio.

Puede llamar a eso "recortar la veleta", haciendo que opere en ángulos del viento que puede controlar. La cola horizontal hace lo mismo con el avión en el plano vertical. El ángulo de desplazamiento que buscará el avión es su Ángulo de Ataque.

Entonces, las fuerzas de compensación provocan un equilibrio de fuerzas entre los momentos de cabeceo opuestos que hacen que el avión siempre quiera volar con cierta compensación con respecto al viento relativo, un ángulo de ataque y la estabilidad estática significa que cuando el viento relativo cambia por cualquier motivo, el avión girará. como una veleta para mantener el ángulo de ataque establecido por el equilibrio de la fuerza de recorte.

No estoy muy seguro de lo que representa el primer diagrama (creo que representa la suma de fuerzas para crear el "efecto de veleta"), pero el segundo diagrama de color ilustra claramente el equilibrio de la fuerza de recorte. La fuerza descendente de la cola se opone a las fuerzas netas de cabeceo con el morro hacia abajo que incluyen el momento de cabeceo del perfil aerodinámico del ala, el apalancamiento C de G al centro de sustentación y cualquier otra fuerza que induce el movimiento de cabeceo, como líneas de empuje de compensación altas o bajas, o cosas que cuelgan. La fuerza aerodinámica de la cola en oposición a esas fuerzas controla el ángulo de desplazamiento en el que el avión buscará moverse en la corriente de aire alrededor del C de G.

Esa tendencia de "búsqueda de ángulo" en sí misma es estabilidad estática, y es una función del centro aerodinámico neto de la huella del avión como una veleta, su punto neutral, en relación con su "eje de bisagra", su centro de gravedad.

Entonces, para una buena estabilidad estática, C de G debe estar adelante del punto neutral, el margen estático. Para el control del ángulo de ataque, G de G normalmente se coloca por delante del centro de elevación para que se genere un momento de cabeceo de morro hacia abajo adecuado, al que puede oponerse la carga aerodinámica de la cola, para controlar el ángulo de ataque.