Las cargas externas que actúan sobre un avión provienen del aire, en forma de turbulencia, rachas o cargas de
maniobra, y del suelo, durante el rodaje, el despegue, el aterrizaje o el manejo en tierra. De mutuo acuerdo, los diseñadores estructurales y los especialista en aerodinámica que tienen que fijar las cargas momentos y direcciones emplean el mismo sistema de coordenadas X-Y-Z para indicar los diversos ejes del avión, así, un momento de inclinación lateral o
balanceo causado por la reflexión de una alerón se verifica alrededor del eje X, un momento de cabeceo causado por la reflexión del timón de profundidad será alrededor del eje de las Y, un momento de guiñada originada por la reflexión del timón alrededor
del eje de las eje de las Z.

CARGAS AEREAS

Un avión en vuelo nivelado y no perturbado esta equilibrado y la sustentación neta equilibra el peso del avión. Esta situación es solo temporal, porque normalmente el flujo aéreo en la atmósfera esta cambiando continuamente de velocidad y la dirección. Los cambios súbitos de este flujo se sienten como golpes, son el resultado de la turbulencia en el aire o de las ráfagas. La magnitud de las cargas inducidas en estas condiciones varia inversamente a la carga alar (peso del avión dividido por las superficie de las
alas) del avión y directamente a la velocidad del avión y a la velocidad de la racha. Es decir, que cuanto mayor es la carga alar, menor es la carga momentánea engendrada, no obstante, cuanto mayor es la velocidad del avión, mayor es la carga originada.
Las cargas de maniobra se originan cada vez que se actúan los controles en vuelo para modificar la trayectoria del avión. Por ejemplo, en una maniobra súbita de tiron hacia la vertical se reflexiona el timón de profundidad hacia arriba, lo que origina, lo que
origina una carga es el estabilizador horizontal. El morro gira hacia arriba, el ángulo de ataque del ala es mayor y la carga en el extrados del ala aumenta. Una maniobra opuesta generara cargas en dirección contraria. La deflexión del timón de dirección originara una carga lateral sobre el empenaje vertical de cola, causando una guiñada, cuando se deflexionan los alerones, se desequilibran las cargas de las alas, originando un balanceo. En una maniobra bien coordinada, para cambiar de actitud y dirección simultáneamente, las fuerzas creadas todas las superficies de mando están actuando al mismo tiempo, cada una en proporción a su grado de deflexion.

CARGAS DINAMICAS

Además de las cargas aéreas estudiadas anteriormente, existen otras cargas resultantes de la respuesta dinámica de
la estructura. Toda estructura tiene una frecuencia de vibración natural o resonante. La estructura del avión es elástica, es decir, se reflexiona o tuerce bajo la acción de las cargas externas y esta sujeta a las fuerzas aerodinámicas, por lo tanto, se pueden producir oscilaciones aeroelasticas de los componentes. A una cierta velocidad la frecuencia de esfuerzos de la corriente de aire será igual a la frecuencia de resonancia de un componente, como puede ser cualquier superficie de mando y la hará vibrar.   Como esto ocurre a la frecuencia de resonancia del componente, la amplitud de la vibración aumentara rápidamente sin necesidad de aumentar la energía de la fuerza actuante. Entonces o se reduce la velocidad o se produce la destrucción del componente. Este fenómeno se conoce como aleteo o vibración resonante y puede ser agravado por otro componente que se alía con el primero condición que recibe el nombre de acoplamiento.Un diseño adecuado de la estructura prevé este tipo de cargas "armonizando" la estructura del avión para determinadas frecuencia de respuesta. Además, las superficies de control
están equilibradas estáticamente y en los complejos aviones de alta velocidad se emplean se emplean amortiguadores auxiliares. Cualquier componente puede vibrar si la velocidad es suficientemente alta y las condiciones atmosféricas son las adecuadas. Durante la fase de diseño estructural del avión, se determina la velocidad máxima del avión. Por lo tanto, es importante que se sigan las especificaciones y limitaciones estructurales del fabricante. Especialmente los mandos de vuelo modificados deben cumplir las especificaciones deben cumplir las especificaciones establecidas en los manuales del fabricante
(mantenimiento).La divergencia es otro tipo de carga dinámica que explica la razón de ser de muchos de los diseños estructurales de formas.La carga alar resultante este generalmente concentrada en la parte delantera del ala, habitualmente a 1/4 de la longitud de la cuerda alar contada desde el borde de ataque. Esto se encuentra normalmente por delante del eje elástico del ala ( el eje a lo largo del cual se pueden aplicar cargas sin retorcer el ala). La carga hace que el ala se refuerza hacia arriba en un valor inversamente proporcional a la rigidez torsional del ala. Si el ala carece de rigidez, la torsión será considerable.
La torsión hacia arriba incrementara el ángulo de ataque del ala, y por lo tanto, la carga alar. La carga alar adicional incrementara de nuevo el ángulo de ataque. Si el ala se tuerce fácilmente, este circulo vicioso continuara hasta que se sobrepasen los limites del ala, este fenómeno se llama divergencia. Por lo tanto al diseñador debe prever una rigidez torsional adecuada a los limites operacionales especificados para el avión.Otra carga resultante de la falta de rigidez torsional es la inversión de alerones. Hemos visto que la carga alar resultante esta habitualmente por delante del eje elástico. Cuando se deflexiona un alerón hacia abajo crea una carga en su propia superficie debida a la corriente de aire. Esta carga esta muy detrás del eje elástico del ala y
causa una acción de torsión hacia abajo en el ala. Al bajarse el ala pierde parte de las sustentación ganada reflexionando el alerón. Si el ala carece de rigidez torsional es posible que la bajada del alas causa la perdida de mas sustentación de la que se gana deflexionando el alerón. Entonces el ala se bajara he aquí la inversión del alerón.
 

TERRENOS AGRESTES-FOTOGRAFIA

La principal superficie de sustentación del avión es el ala. Aunque la forma puede ser muy variada, su función
principal es siempre la misma. Las alas pueden ir unidas al resto del avión en diversas posiciones, tanto vertical como longitudinalmente. Los términos ala alta, ala baja y ala media describen tipos de aviones y métodos de unión del ala. Longitudinalmente la situación del ala en un avión en particular esta determinada por el tamaño y localización de la cuerda media
aerodinámica del ala y el centro de gravedad del avión completo. Otros términos descriptos aplicados definen su forma,
como por ejemplo ala en delta, ala en flecha, ala elíptica o ala rectangular.

Tipos de construcción

Las alas puede ser arriostradas o del tipo cantilever. Muchos aviones pequeños emplean un montaje o soporte externo para ayudar a trasmitir las cargas del ala al fuselaje. Las alas cantilever deben resistir todas las cargas mediante estructuras dentro de las alas.Las alas están diseñadas con uno varios elementos que soportan cargas, denominados largueros. Lo mas normal es que
lleven dos largueros, siendo el larguero delantero mas grueso el posterior.El revestimiento puede ser de metal y ser empleado como elemento primario de soporto de la carga o el ala puede estar cubierta de madera. Contrachapada o tela, aunque esto es cada vez mas raro en los aviones modernos.Si se emplea la tela como revestimiento, se la impregna de barniz para
endurecerla e impermeabilizarla. Las alas cubiertas de tela llevan cables tensores entre los largueros, situados diagonalmente en el interior del ala, para impedir la disstorsion del armazón. Esta distorsión puede ser evitada orientando las costillas del ala diagonalmente, de tal modo que soporten las cargas que normalmente aguantan los hilos tensores.

Características de diseño

La forma y el tipo de ala empleada en un avión están determinados por otras consideraciones además de las estructurales. El empleo primario del avión será el que determina la elección del diseño estructural. Los aviones pequeños y baja velocidad tienen alas rectas y de forma rectangular. La mayor carga de estas alas es la que tiende a doblarlas cuando trasmiten la carga al fuselaje, esta carga de flexión es soportada principalmente por las costillas. En aviones de gran velocidad , las alas suelen en flecha. Las alas en flecha imponen una gran carga de torsión porque la carga resultante del ala esta localizada mas atrás de la unión
del ala fuselaje. Dependiendo del ángulo de la flecha y del espesor del ala, esta carga de torsión puede ser el factor mas importante para determinar en cada caso el diseño estructural. Otros factores que tienen influencia en la lección del diseño estructural del ala son el equipo que deba ir alojado en el ala, las conducciones y el cableado de fabricación y mantenimiento puede tener también influencia en el diseño estructural. De hecho, las alas de todos los aviones existentes representan un
cuidadoso equilibrio entre prestaciones, costes, técnicas de fabricación, peso y solidez.

Revestimiento reforzado

Habitualmente la superficie del ala esta cubierta de laminas metálicas que son utilizadas como un elemento principal de soporte de las cargas. Este revestimiento es bastante resistente a la tracción y al cizallamiento y , si se refuerza con otros dispositivos, se pueden lograr que soporte algunas cargas de compresión. El espesor de los revestimientos varia mucho, dependiendo de los
esfuerzos que haya de resistir. Los espesores varían desde 0,4 mm en los aviones pequeños hasta 20 mm en las alas de los grandes bombarderos y de los aviones de transporte. Si la reducción de peso es de primordial importancia, el revestimiento puede ir adelgazándose de modo que vaya proporcionando la resistencia adecuada a las cargas locales en los distintos puntos. El
revestimiento metálico tiene la ventaja de que es bastante rígido y conserva bien su forma aerodinámica.Células de alas
A causa del modo característico en que actúan las cargas sobre el  ala, el sistema de construcción celular tiene muchas ventajas. Habitualmente las alas tienen dos largueros unidos por las costillas y cubiertos por el revestimiento, que forman una caja.
  La construcción de la caja emplea el revestimiento como un elemento estructural primario. Una celular es bastante rígida y resiste la deformación torsiones. El hecho de que las exigencias aerodinámicas limiten la forma y el espacio en el que debe ir la estructura, aumenta la importancia de las estructuras en forma de célula. Si se coloca el larguero delantero a ¼ de la cuerda alar, la carga aérea tiende a doblar o flexionar el larguero delantero y tendrá poco efecto sobre el larguero posterior. Si solo se doblara el larguero anterior, el ala se combaría, pero como la célula en forma de caja se resiste a la torsión, el larguero posterior recibe por reflexión la carga del larguero anterior.Como la celular permite una distribución de la carga a otras partes de la célula. Un larguero auxiliar añadido en el lugar conveniente ayudara también a soportar la carga de flexión. En la estructura de una ala
celular clásica de dos largueros se forman células en el borde de ataque y en el borde de salida.Las células A y C son importantes porque resisten también la torsión y la flexión y proporcionan una estabilidad considerable a los largueros. Como es posible que las arrugas y abolladuras de las células del borde de ataque y del borde de salida causen su fallo prematuro y el de otros
elementos mas importantes, ambos bordes deberán mantenerse siempre en buen estado.Factor de carga Cuando un avión en vuelo encuentra una racha se produce una carga que se añade al peso normal de la aeronave. En vuelo nivelado y no acelerado las alas soportan el peso del avión y todas aquellas cargas necesarias para mentener el equilibrio. Cuando se encuentra con una
racha se crea una fuerza adicional. La racha intenta cambiar la trayectoria del avión, pero, a causa de la inercia, el avión tiene a
mantener su trayectoria original. La fuerza de la inercia, que actúa mientras actúa la aceleración, se suma algebraicamente a la fuerza de la gravedad y la resultante es una nueva fuerza total llamada peso
aparente. La relación de esta fuerza partida por el peso original del avión es una cantidad o coeficiente sin dimensiones denominado ?Factor de carga?.La velocidad y la carga alar del avión tienen una  influencia directa en la magnitud del factor de carga, tanto si el origen de la aceleración es una racha como si es una maniobra de vuelo. En general, el factor de carga
de la racha aumenta cuando aumenta la velocidad del avión o el vector de velocidad de la racha y disminuye al aumentar la carga alar. En las maniobras la carga alar crece con el cuadrado de la velocidad, es decir, que cuando aumenta al doble, la carga aumenta al cuádruplo.Al determinar el factor de carga dividiendo la fuerza o peso aparente por el peso real, el resultado es una cantidad positiva relativa para el avión particular en cuestión. Ejemplo, si un avión tiene un peso de 10000 lbs y experimenta un factor de carga de 1,5, el peso aparente soportado será de 1,5 x 10000= 15000 lbs. La velocidad, la capacidad de carga del
avión, el empleo especifico que se haga de el y las condiciones atmosféricas deben tenerse en cuenta a la hora de determinar los limites de diseño de un avión. Se establecen valores específicos de factores de carga para diversos tipos aviones, como estos son los limites máximos que se esperan que encuentre un avión,se denominan limites de carga.

LARGUEROS

SECCION TRANSVERSAR TIPICA DE UN ALA

Los largueros pueden ser de varios tipos, como las vigas empleadas en construccion, sencillos, rectangulares,de seccion I,de secciones laminadas que emplean fuertes nervios de costilla unidos a miembros de forma simple, armadura y de seciones de campos de semitension. Algunos aviones ligeros emplean un tipo de tubo de alumineo de paredes bastantes gruesas que, en algunos modelos, tambien sirve depositos de combustible.Las formas sencillas o estampadas tienen la ventaja de ser faciles de
fabricar. Los calculos de cargas en estos largueros estan bien definidos. Este tipo de larguero es utilizado principalmente en los aviones ligeros y utilitarios de bajo precio.Los largueros laminados se emplean cuando las cargas de las pestañas exteriores del ala son bastante altas en relacion con las cargas del anima (seccion central) y es necesario añadir material a las fibras exteriores de la seccion.Los largueros laminados permiten la union de nervios de costilla de diferentes tamaños al larguero principal a lo
largo de toda la envergadura, formando asi un efecto de adelgazamiento mas ligero. Otra ventaja de este armado o ensamblado de partes es que se puede volver a diseñar un ala para que soporte un modelo avion mas pesado sin que a veces sea necesario nada mas que fabricar nervios de costilla mas gruesos que se unen al larguero basico.Los largueros de tipo de armadura se encuentra a veces en grandes alas que emplean una seccion de bastante profundidad. Esta fabricadas con perfiles rectangulares huecos unidos por soldaduras que forman un armazon o armadura.  La armadura se compone de dos largos listones
de costilla separados por tirantes verticales y arriostrados rigidamente por diagonales. Estos largueros pueden ser diseñados cuidadosamente para que el exceso de peso no sea un problema, aunque tienen muy poca resistencia a la torsion, a menos que se los refuerce adecuadamente, es dificil unir otros elementos estructurales a estas estructuras.Los largueros de campos de semitension se emplean a menudo en el diseño estructural de los aviones. Los tipos de largueros antiormente mencionados, con las excepcion del larguero de armadura, se denominan largueros de anima resistencia al cizallamiento. Esto significa que el material del anima o nucleo del larguero debe ser  fuerte y estable para resistir las cargas tangenciales a lo largo del larguero. El
metodo de controlar las cargas tangenciales del larguero es lo que hace al larguero de campos de semitension diferente de los demas. Un larguero de costilla (habitualmente estampados o fresados), con una anima de fina hoja de metal entre ellos y
atiesadores verticales espaciados a loa largo del larguero. Cuando se aplica una carga al larguero, los nervios tienden a articularse alrededor de sus uniones verticales y permiten la deformacion al deslizarse uno respecto al otro. Para evitar esta deformacion esta el anima, que debe absorber entonces la carga tangencial causada por la tendencia de los nervios a pasar por
encima y por debajo uno de otros.

Secciones transverdales de largueros tipicos, A-RECTANGULAR, B-ACANALADO, C DE SECCION EN I, D SECCON COMPUESTA,E- DE ARMADURA, F- VISTA LATERAL DE VIGA

En un larguero de campos de semitension esta carga oblicua es soportada por un campo de tension establecido en el anima de la lamina metalica. El campo de tension corre diagonalmente a lo largo del material del anima y, si la carga es suficiente, apareceran pandeos diagonales en este material. Estos pandeos aparecen mucho antes de que se alcance la carga maxima del larguero y no
constituyen una indicacion de fallo inminente, ya que desaparecen cuando se reduce la carga. Como su estabilidad no tiene una
importancia primordial, el anima puede hacerse mucho mas delgada que en los largueros de anima resistente al cizallamiento. El campo de tension creado en el anima ejerce una fuerza que tira por igual de los nervios, de ahí la necesidad de los refuerzos atiesadores verticales.

ACCION DEL CAMPO DE TENSION EN UN LARGUERO

En la figura se ven las semilitudes entre un larguero de campo de tension y un larguero armado. El armazon de este articulado en los puntos A,B,C y D. Si se aplican una carga como la figura, los tirantes AB y CD girarian alrededor de A y D respectivamente (si no existiera AC) y el armazon no soportaria la carga. Pero el tirante AC desarrolla una carga de tension y evita esta rotacion, permitiendo que la armadura soporte la carga. Un laguero de campo de semitension actua de manera parecidad gracias a la delgada lamina metalica de su anima, que sustituye al tirante AC. El pandeo del anima estaria orientado igual que AC, para una carga igual. Si se invierte la carga, el tipo de pandeo tambien se invertira. Como la lamina del anima es muy delgada, puede pandearse mucho, pero mientras no se sobrepase su limite de elasticidad, la lamina volvera a su forma original cuando desaparezca la carga. Los largueros de campos de semitension son habitualmente los mas ligeros, pueden ser algo mas caros que los de otros tipos. Para reducir aun mas el peso, los fuertes nervios de costilla son fresados para adelgazarlos de las alas, donde las cargas de los larguros son menores.

COSTILLAS

En todas las alas de aviones existen costillas de un tipo u otro que sirven para varios depositos. Estan situadas a intervalos apropiados a lo largo de la envergadura del ala y trasmiten cargas aerodinamica desde la superficie del ala a los largueros, actuan como conformadores o moldes para mantener el perfil del ala, estabilizan los largueros para evitar su torsion, distribuyen las cargas de flexion entre los largueros, cierran celulas para formar la caja de torsion, forman barreras en la instalacion interna de combustible, proporcionan un punto de union para otros componentes, como el tren de aterrizaje y satisfacen otras muchas
necesidades. Se pueden formar las costillas de laminas metalicas conformadas, armaduras, o una fina lamina de metal con nervaduras de costillas. Generalmente los aviones ligeros llevan costillas de laminas de metal conformado con grandes agujeros en el anima para aligerarlas. Los aviones mas pesados suelen usar costillas de armadura o del tipo compuesto o ensamblado.

El tipo de costilla de emplear a emplear esta determinado por el proposito al que debe servir. Por ejemplo, si una costilla debe formar un costado de una celula de un deposito de combustible debe tener una anima solida para soportar una presion interna uniforme.

ATIESADORES

Donde se producen grandes de compresión o donde debe mantenerse la forma, se añaden atiesadores al revestimiento.
Se encuentran habitualmente poco espaciados en la superficie superior del ala, que normalmente esta bajo presión, atiesando el
revestimiento para que resista mejor las cargas de deformación.

ESTRUCTURAS TIPICAS DE ALAS DE AERONAVES LIGERAS
Donde las necesidades de atiesamiento resultan extremas se refuerza el revestimiento con chapa ondulada o paneles de
abeja en vez de emplear atiesadores individuales. En la figura se muestran atiesados típicos.

PROCEDIMIENTOS TIPICOS DE DAR RIGIDEZ A UN PANEL, A-INTEGRAL, B-SECCION EN Z, C- ANGULO CON NERVADURA, D-SECCION EN SOMBRERO, E-SECCION EN J, F-CHAPA ONDULADA, G-PANAL DE ABEJA.

Adición de dispositivos auxiliares.
Habitualmente las alas son mucho mas complejas de lo que hemos visto hasta ahora porque, para emplear eficientemente el espacio disponible, hay que colocar muchos equipos dentro del ala o unidas a ella. Los depósitos de combustible en forma de células rompen la continuidad de la estructura del ala y pueden crear fuerte cargas adicionales de inercia o de presión. Los motores y las góndolas rompen también la continuidad estructural e imponen altas cargas locales de sujeción, vibración y
torsión en el ala.Los spoilers, flaps, alerones y frenos aerodinámicos crean grandes cargas de sujeción y además requieren a menudo aberturas o cortes en el ala. Si el tren de aterrizaje esta unido al ala, se deben prever  grandes cargas locales. Si el tren es retráctil, las aberturas son necesarias y no permitirán el uso de cubiertas permanentes, como sucede con las trampillas de acceso para el servicio. Los cables y tubos, conducciones, controles y otros elementos deben pasar a través de varias partes de la estructura del ala y complican aun mas el diseño.