Uçakların emniyetli ve verimli operasyon yapması ve sürdürmesine etki eden pek çok faktör vardır. Bu faktörlerin en önemlilerinden birisi ağırlık ve denge kontrolüdür. Bir tasarımcı uçağı tasarladığında ve sivil havacılık otoriteleri tarafından da sertifikalandırıldığında, uçağın maksimum ağırlık özellikleri ve dengede kalacağı tüm sınır değerleri belirlenmiştir. Bir uçağın iyi bir dengeye sahip olmayışı manevra ve kontrol edilebilme yeteneğinin zayıflaması ile sonuçlanır. Uçuşu imkânsız hale getirebilen bu durum uçuş yeteneğinin yitirilmesine neden olur. Denge ise uçağın ağırlık merkezinin hesaplanması işlemi olup hesaplanan bu ağırlık merkezinin bütün operasyonlar esnasında onaylanmış ağırlık merkezi sınırlarını aşmamasıdır. Bu işlem denge diyagramlarından sürekli takip edilir.

Tanım olarak ağırlık merkezi; bir cisim üzerinde yerçekimi etkisinin yoğunlaşmış olduğu noktasıdır. Ağırlık merkezinin doğrudan doğruya kütleye bağlı olmasından dolayı, cismin kütlesinin bu noktada yoğunlaştığı düşünülebilir. Bir cismin ağırlık merkezi cismin üzerinde veya içerisinde olabilir. Ağırlık merkezinin bulunduğu nokta cismin şekli ile ilişkilidir. Örneğin düzgün homojen bir çubuğun ağırlık merkezi ortasıdır yani cismin içerisindedir. Kare, dikdörtgen gibi geometrik şekillerin ağırlık merkezi köşegenlerinin kesim noktası, üçgenin ağırlık merkezi ise kenarortaylarının kesişim noktası, silindirin ise eksenin orta noktasıdır.

Yerçekimi ivmesi gezegenin çekim ivmesi yarıçapı ve yoğunluğu ile doğru orantılıdır. Dünya yüzeyinden yukarı doğru çıkıldıkça çekim kuvveti azalır yani çekim ivmesi de azalır. Gezegenin yüzeyinden merkeze gidildikçe de çekim ivmesi azalır ve merkezde sıfır olur. Öyleyse gezegenin yüzeyinde çekim ivmesi maksimumdur. Yarıçapın etkisi ise ilgilenilen konum ile ilgilidir. Yerçekimi ivmesi boylam ile değişmez. O halde yerçekimi ivmesinin irtifa ve enlem ile değişiminin incelenmesi bulunulan konumdaki yerçekimi ivmesi değerinin bilinmesini sağlayacaktır. Yerçekimi ivmesinin konuma bağlı olarak doğru hesaplanması, o konumdaki ağırlığın doğru bilinmesini sağlayacaktır. 

Referans hat (datum) bir cismin veya havacılık için seçtiğimiz uçağın uçuş davranışlarıyla denge problemlerini çözmek için tüm ölçümlerin yapılmasında kullanılmak üzere referans olarak belirlenmiş hayali bir düşey çizgidir.

Referans hattın yerinin belirlenmesi ile ilgili kesin bir kural yoktur fakat uçak uçtuğu sürece seçilmiş olan yeri değiştirilemez. Örneğin referans hattın pervanenin gövdesinin ucu veya koltuğun ön kısmında seçilmesi iyi bir fikir değildir, çünkü pervane gövdesi değiştirilebilir veya koltuk kaldırılabilir. Bu durum referans hattın değiştirilmesini gerektirir. Referans hat uçağın burnu yakınında birkaç inç ileride veya üzerinde seçilebilir. Helikopter için ana rotor mili merkezinde veya hayal edilecek başka bir yerde yerleştirilebilir. İmalatçılar ağırlık denge hesaplamaları için, donanımların yeri açısından ve en uygun ölçüm yapılabilecek yerde referans hattı seçerler. 

Referans hat aynı zamanda uçağa etki eden kuvvet ve momentlerin belirlenmesi için gereken bir temel parametre olduğundan kuvvet ve mesafelerin dolayısıyla her ikisinin çarpımı olan momentin işaretinin belirlenmesi gerekmektedir. ABD Federal Havacılık İdaresi’nin (FAA-Federal Aviation Administration) yaptığı işaret kabulü şu şekildedir: Eğer denge kolu referans hattın önünde veya solundaysa (–), arkasında veya sağındaysa (+) dir. Momentin birimi lb-inç veya N-m olduğuna göre momentin işareti denge kolu ve kuvvetin işaretinden belirlenecektir. Pozitif moment uçağı burun yukarı döndürmeye çalışırken, negatif moment uçağı burun aşağı döndürmeye çalışacaktır. 

Sayfa 47'de Şekil (3.5)’de verildiği gibi bir konsol kiriş üzerine hepsi farklı şiddette olmak üzere aynı yönlü iki adet F1 ve F2 kuvveti ve farklı yönlü F3 kuvveti etki etsin. Kirişe farklı mesafelerinden etki eden bu kuvvetler kirişi döndürmeye çalışacaktır. Bu durumda etki eden her bir kuvvetin şiddetinin referans hattı olarak da düşünülebilecek duvara göre olan mesafelerinin çarpımı Fxd, her bir kuvvetin momentini verecektir.

Bir cisme farklı koşullar altında farklı kuvvetler ve momentler etki eder. Moment vektörel bir büyüklük olup kuvvetin döndürme etkisidir. Kuvvetler ancak dengedeyken olayların durumunu değiştiremezler. Eğer bu cisme etki eden kuvvet ve momentlerin bileşkesi sıfırsa bu cisim dengededir 

Bir cisim ağırlık merkezinde dengededir, buna göre ağırlık merkezi etrafında bir hareket veya dönme oluşmayacaktır. O halde bir cismin ağırlık merkezinin yerinin bulunabilmesi, cismin dengede olabilmesi için, destekleneceği bir noktanın bulunmasına ihtiyaç vardır. Bunu yapabilmek için önce öncelikle referans hattının yeri ve (+), (–) işaret kabulünün yapılması gerekecektir. Daha sonra seçilen referans hatta göre kuvvetler tarafından oluşturulan momentler hesaplanır. Hesaplanacak olan destek noktasında tüm momentlerin toplamı eşit olmalıdır

Ağırlık merkezi uçağın denge noktasıdır. Pilot uçağın uçuşu esnasında irtifa dümeni, istikamet dümen ve kanatçıklar gibi aerodinamik kontrol yüzeylerini kullanarak gerekli manevralarını uçağa yaptırır. Kontrol yüzeylerinin her bir yüzeyinde uygulanan kuvvetin değişmesi uçağın ağırlık merkezi etrafında dönmesi ile sonuçlanır. Ağırlık merkezi uçak ağırlığının ortalamasında bir yerde bulunur. Uçağın ağırlığı tüm uzaklık boyunca dağılmıştır, buradaki en önemli problem ise ağırlık dağılımının nasıl olduğudur. Uçağın yapacağı tüm manevralar için yalnızca toplam ağırlığın bilinmesi yetmez, aynı zamanda ağırlık merkezinin yerinin de bilinmesi gereklidir. 

Uçağın ana elemanları; kanatlar, güç grubu, düşey ve yatay kuyruk ve gövdeden oluşmaktadır. Uçağın ağırlığı düşünüldüğü zaman bu ana elemanların ağırlıklarına yakıt ve paralı yükün ağırlığı da eklenecektir. Her bir parçanın ağırlığının hesaplanmasında sayfa 49'da denklem (3.3) ile verilmiş olan Newton’un prensibi geçerlidir. Ağırlık merkezinin (Center of Gravity - CG) hesaplanması için daha önce anlatıldığı gibi bir referans hat seçilmelidir. Ağırlık merkezi seçilmiş olan referans hatta bağlı olarak hesaplanır. Uçağın ağırlığı tüm bileşenlerin ağırlıklarının toplamıdır. Uçağın ağırlığı W ile gösterilecek olursa; W ile CG’nin yerinin çarpımı, her bir bileşenin wi ağırlığının referans hatta olan di mesafesi ile çarpımlarının toplamına eşit olmalıdır. Denklem genelleştirilecek olursa: n tane uçak ağırlık bileşeni ve bileşenlerde i indeksi ile gösterilecek olursa genel denklem sayfa 50'de (3.10)’da verildiği gibi olur. Burada bulunan ağırlık ve mesafenin çarpımı bize toplam momenti verecektir.

Uçak içerisindeki yolcuların veya kargonun hareketi, yakıt harcanması ağırlık merkezinin yerinin sürekli değişimi ile sonuçlanır. Dolayısıyla en yaygın ağırlık ve denge problemleri yeri değişen ağırlık merkezinin değişim sınırlarının istenilen sınır değerlerde tutulabilmesidir. 

Tüm uçaklar operasyonları esnasında farklı yükler tarafından zorlanmaktadır. Bu yüklerden bir kısmı olan ve uçağın kendi ağırlığı ile ilgili olan yükler uçağa etki eden kütlesel kuvvetlerdir. Kütlesel kuvvetler herhangi bir ivmenin söz konusu olduğu hallerde ağırlık ve atalet kuvvetlerinden oluşmaktadır, dolayısıyla söz konusu elemanın kütlesi ile orantılıdır. Uçağın yapısının bu yüklere dayanabileceği sınırlar ağırlık merkezinin yerinin sınırlanması sonucunu doğuracaktır. Uçak onaylanmış CG zarfı içerisinde operasyon yapmalıdır. Bu sınırlar uçakların uçuş el kitaplarında sunulur. Onaylanmış CG zarfı bir dizi tasarım yük faktörüne dayalıdır. Tasarım yük faktörleri ise (+) 2,5 g ve (–) 1,0 g tırmanma hızı olarak da maksimum kalkış ağırlığı için 360 ft/dk, maksimum iniş ağırlığı için 600 ft/ dk şeklindedir.

Sayfa 52’de Şekil 3.12 ile verilen ve MTOW ile gösterilen uçağın maksimum kalkış ağırlığı olup uçağın kalkışı için izin verilen maksimum ağırlıktır. MTW ise maksimum taksi ağırlığı olup ramp ağırlığı olarak bilinir. Maksimum iniş ağırlığı ise MLW ile gösterilmiş olup uçağın izin verilen iniş maksimum ağırlığıdır. Maksimum sıfır yakıt ağırlığı MZFW uçağın kullanılabilir yakıtının olmadığı durumdaki ağırlığıdır. Zarfta aynı zamanda ağırlık merkezinin ön ve arka taraftaki limit değerleri bulunmaktadır. Gösterildiği üzere sıklıkla uçuşun farklı aşamaları için farklı sınır değerleri ayrı gösterilmiş olup bazen sınır değerleri yalnızca zarfın ön ucunda değil zarfın her iki ucunda da olabilecektir. Bu sınırlar üretici tarafından tayin edilir, uçağın operasyon koşulları altında yapısal hasara uğrama veya kararsızlık limitlerini verir. 

Uçağın operasyonu esnasında ağırlık merkezinin yerine etki eden birçok belirsiz faktör onaylanmış CG zarfı ile uyumlu hale getirilmelidir. Bu belirsizlikler yolcu ve kargo yükleme için kullanılan metotlar ile başlar, uçuş esnasında paralı yükün ve yakıtın hareketi ile devam eder. Örneğin; 

• Tüm yolcular belirlenmiş yerlerinde oturuyor olmasına rağmen bir kısmı kalkış esnasında orada oturuyor olmayabilir, bu da hesaplanmış kalkış parametrelerini değiştirir. 
• Uçuş esnasında ağırlıkları yaklaşık 200 lb olan ikram arabalarının kabin içerisindeki hareketleri ağırlık merkezinin yerini değiştirir.
• Ok açılı kanada sahip uçaklarda yakıtın yalnızca kanatlarda depolanmamasından ötürü yakıt harcandıkça kaçınılmaz olarak ağırlık merkezinin yeri değişir. 

Uçağın performansı ağırlığı ve ağırlık merkezinden etkilenecektir. Bir uçağa yatay uçuşu sırasında etki eden aerodinamik kuvvetler, güç grubu kuvvetleri ve ağırlık kuvvetleri Şekil 3.15’de gösterildiği gibidir. Bileşke aerodinamik kuvvetin bileşenleri taşıma ve sürükleme kuvvetleridir. Taşıma bileşeni uçağın simetri eksenine dik olarak etki ederken, sürükleme kuvveti hareketin tersi yönündedir.

Her iki aerodinamik kuvvet de referans kanat alanı, hava hızı ve yoğunluğu ve sırasıyla taşıma ve sürükleme katsayılarının bir fonksiyonudur. Ağırlık kuvvetinin etki merkezi uçağın CG iken aerodinamik kuvvetler aerodinamik merkezden etki etmektedir. İki merkezin çakışık olmaması sonucu oluşan momentler uçak yapısını zorlar. Kanatların taşıma kuvvetinden dolayı saat ilerleme yönünün tersi yönünde uçak burun aşağı dönmeye zorlanırken; kuyruk yükünden dolayı saatin ilerleme yönünde oluşan moment de uçağı burun yukarı döndürmeye çalışacaktır. Taşıma kuvvetine etki eden faktörlerden birisi olan taşıma katsayısı hücum açısı ile birlikte artar. Fakat bu artış belli bir hücum açısından sonra, kanat üzerindeki hızın ses hızı belirtilerini göstermesiyle azalır ve azalmayla birlikte taşıma kuvvetini de aniden azaltır. O halde hücum açısındaki artışın fazlalığı akımın kanat yüzeyinden ayrılması ve sonuçta tutunma kaybı (stall) dediğimiz olaya yol açar ve uçak düşer. Aerodinamik kuvvetleri de oluşturan uçuş hızı ise uçak ağırlığının bir fonksiyonudur. Tutunma kaybının oluştuğu hava hızı VCLmax; referans stall hızının en yüksek değerini veren CG’nin yerinden hesaplanır.

Uçağın görev uçuşu için paralı yükün ve yakıtının yüklenmesi ağırlık merkezinin yerini değiştirecektir. Yapılan bu yüklemeler uçağın toplam ağırlığına eklenecek ve dolayısıyla moment dengesi değişecek, ağırlık merkezinin yeri değişecektir. Bu durumda düşey kuyruk yükü önem kazanmaktadır. Artık bulunan bu güncel ağırlık ve ağırlık merkezinin yeri performans hesaplamalarında da kullanılacaktır. Gerçek ağırlık ve CG’nin yeri, kalkış irtifa dümeni trim ayarlarının seçimini gerektirecektir.

Ağırlık denge konularında M.A.C uçağın ağırlık merkezinin yerini açıklamak için kullanılır, bundan dolayı ağırlık merkezini M.A.C’nın yüzdesi olarak açıklamak faydalı olacaktır. Ağırlık merkezinin bağıl pozisyonu ve kanadın taşıma kuvvetinin aerodinamik merkezi uçuş karakteristiklerine etki eder. Normalde eğer ağırlık merkezi ortalama veter noktasının %25’ine yakın bir yerlerdeyse uçuş karakteristikleri kabul edilebilir sınırdadır. Bu demektir ki ağırlık merkezi kanadın hücum kenarının arkasında toplam mesafenin 1/4’ünde konumlanmıştır. Sonuç olarak ağırlık merkezinin yeri çoğu profil için aerodinamik

Uçağın boş ağırlığı sabitlenmiş tüm donanımlarını da içeren ağırlığıdır. Bu ağırlık gövde, güç grubu tüm donanımlar, opsiyonel veya özel donanımlar, hidrolik sıvılar ve kullanılmayan yakıtı içerir. Havacılık bakımı konusunda çalışan personel için uçağın temel boş ağırlığı çok önemlidir.

Uçağın boş ağırlığı için ağırlık merkezi bu koşullar altında dengede olduğu noktadadır. Boş ağırlığın ağırlık merkezinin hesaplanması, uçağın yüklenmesini de içeren diğer tüm ağırlık denge problemlerinin çözülmesi açısından önem taşımaktadır. Bu önemli bilgi uçak ağırlık denge raporunun bir parçasını içeririr.

Bir kirişe dış kuvvetler etki ettiği zaman kirişin her bir kısmı kirişi dengede tutabilmek için uygulanan yüke eşit ve zıt yönlü iç kuvvet uygular. Bu iç kuvvetler kesme ve eğilme kuvvetleri olarak sınıflandırılır. Kesme kuvvetleri tıpkı yüzey üzerinde hareketli cisme etki eden sürükleme kuvveti gibi davranır. Kirişin her bir bölümü tepki kuvvetine sahip komşu bölüm ile desteklenir. Eğilme kuvvetleri uygulanan yüke dik olarak davrandıkları için moment yaratırlar. Bu kuvvetler kiriş içerisinde gerilme ve sıkışmalara neden olurlar.