¿Cómo entiende el estancamiento en términos de la mecánica newtoniana (es decir, sin el principio de Bernoulli)?

"las moléculas de aire chocan contra el ala, que está en ángulo con las moléculas de aire"

Esto solo sucede realmente cuando un avión aterriza. Después de bajar los flaps, la sustentación aumenta considerablemente, pero observe cómo la resistencia también aumentará considerablemente. Esto permite que el avión aterrice a una velocidad aerodinámica segura, ya que puede mantener suficiente sustentación para descender suavemente mientras se encuentra a una velocidad aerodinámica mucho más baja.

Sin embargo, probablemente pueda ver que toda esta resistencia sería muy ineficiente durante otras fases del vuelo: si mira fotos de aviones en crucero, notará cómo sus alas están esencialmente niveladas. Si bien hay muchos factores que influyen en la cantidad de sustentación, incluido el principio de Bernoulli, parece que está buscando algo más fácil de entender con las leyes de Newton. Uno de esos factores es la corriente descendente: cuando el aire pasa por la parte superior del ala, el efecto Coandă garantiza que el chorro de aire siga el contorno de la superficie aerodinámica. Una vez que el aire llega al borde de fuga del ala, continúa fuera del ala en ese ángulo hacia abajo, lo que según la tercera ley de Newton significa que el avión sentirá una fuerza de sustentación hacia arriba. Cuando entras en pérdida, el flujo de aire se separa del ala antes de llegar al borde de fuga,

En todos los aviones (hasta donde yo sé), colocar flaps hace que el borde de fuga del ala se incline, lo que aumenta los efectos de la corriente descendente al mismo tiempo que introduce este efecto de "choque". Como puede imaginar, colocar flaps disminuirá la velocidad de pérdida.

Soy piloto, no físico, por lo que quizás alguien podría proporcionar una descripción más matemática o corregirme si me equivoco.

No puede modelar la dinámica de fluidos con un montón de colisiones elásticas independientes. Si eso es todo, lo que está diciendo sería correcto y los aviones no experimentarían entrada en pérdida en un ángulo de ataque tan bajo.

Se ve mejor con las simulaciones de Navier-Stokes, pero siempre puede recordar que la presión es mayor para el aire a menor velocidad. Cuando AOA sube demasiado, crea una división más grande en las corrientes de aire por encima y por debajo del ala. Esto conduce a una bolsa de aire estático a alta presión sobre el ala que obviamente aplica alguna fuerza hacia abajo.

También puedes pensar intuitivamente como sustentación = peso total del aire desviado hacia abajo. Con un AOA alto donde la corriente se divide en dos, la corriente superior no se desvía hacia abajo y en su lugar fluye sobre la alta presión sobre el ala.

Las fuerzas relevantes son el peso de la aeronave y las componentes verticales de las fuerzas sobre las alas. La suma de estas últimas fuerzas debe igualar el peso para mantener el avión en la misma altitud.

Siguiendo una idea ingenua, podríamos modelar el proceso como colisiones elásticas de moléculas. Golpean las alas horizontalmente y rebotan en un ángulo de$2\alpha$con la horizontal, donde$\alpha$es el ángulo de ataque. Cada molécula tiene inicialmente un momento vertical y una velocidad nulos.$v$. Después de la colisión, la componente vertical de la cantidad de movimiento es$p_v = mvsin(2\alpha)$.

El número de moléculas que golpean el ala por vez es proporcional a la proyección vertical del área:$n = kAsin(\alpha)$.

La fuerza vertical es

Lo que falta en mi opinión es la fuerza tangencial. La viscosidad del aire genera una fuerza tangencial en la dirección del ala, y mucho mayor en la parte inferior, debido al ángulo de ataque. Esta fuerza produce un par que tiende a hacer girar la aeronave. El hecho de que la cabina se caracterice por la inclinación de la nariz hacia abajo está en buena consonancia con esta idea.

La forma de pensar es en términos de la relación entre sustentación y resistencia.

El diseño del ala está optimizado para una buena relación sustentación/resistencia. (Siempre que, por supuesto, el piloto mantenga el ángulo de ataque óptimo para las alas y la velocidad de la aeronave).

Las aeronaves que están diseñadas para acrobacias aéreas tienen alas planas, lo que le da al piloto la libertad de volar la aeronave boca abajo, a lo largo de una línea horizontal.

La relación sustentación/resistencia de los aviones de acrobacias es menos buena, pero un avión de acrobacias no necesita tener capacidad de distancia.

Entonces, tomemos el caso de un avión que tiene alas completamente planas. Con un motor lo suficientemente fuerte como para que el avión vuele. Aquí está el problema: con alas planas también hay un ángulo de ataque óptimo.

El estancamiento es que la relación sustentación/resistencia se vuelve tan mala que sigues perdiendo velocidad.

Para ver que debe haber un óptimo: exagerar el ángulo de ataque hasta el punto en que la cantidad de arrastre exceda la cantidad de sustentación. Claramente, la aeronave perderá el control en ese punto.

Entonces: incluso cuando las alas están planas, todavía hay un ángulo de ataque óptimo

Volviendo a las alas optimizadas:
El propósito de la forma del ala es facilitar una buena unión del aire que pasa por debajo y el aire que fluye sobre el ala. Cuanto mejor se reúnan esos dos flujos, menos turbulencia. Cuanta menos turbulencia, menos arrastre.

Cuanto mejor se reúnan los dos flujos, mejor será el kilometraje de la aeronave.