¿Cómo es la distribución de la presión sobre el ala de un planeador?

La distribución de la presión sobre el ala de un planeador no es diferente de la de un avión bien diseñado. Un planeador puede mantener el vuelo volando ligeramente hacia abajo, por lo que la dirección del movimiento no es recta sino ligeramente hacia abajo. Hacer esto en aire ascendente resultará en un vuelo sostenido.

Mira el dibujo de arriba: El ángulo de la trayectoria de vuelo$\gamma$es negativo y en aire quieto el vector de trayectoria de vuelo$\text{x}_k$es paralela a la dirección de la velocidad del aire. Debido a la inclinación de la trayectoria de vuelo, el vector de sustentación se inclina hacia adelante de manera que su componente horizontal es exactamente opuesta a la fuerza de arrastre. Esto se muestra a la derecha donde moví los vectores en una secuencia cerrada que demuestra que todas las fuerzas se equilibran.

Desde el punto de vista del planeador, la sustentación apunta directamente hacia arriba y arrastra directamente hacia atrás, pero la fuerza del peso está ligeramente inclinada hacia adelante. En cierto modo, parece que el empuje de un planeador es su fuerza de peso.

Ahora deja que todo el paquete de aire en el que vuela el planeador se mueva hacia arriba. El planeador aún se hundirá dentro de este aire, pero en relación con el suelo ganará altitud si la velocidad del aire hacia arriba es lo suficientemente alta.

Creo que estás abordando mal este problema. Si piensa en cómo vuela un planeador, no hay un componente de fuerza hacia adelante en la superficie aerodinámica que se oponga a la resistencia. Por definición, la resistencia es la fuerza que se opone al movimiento de la nave y la sustentación es perpendicular a la fuerza de resistencia.

Supongamos que dejamos caer el planeador desde cierta altura en una posición de vuelo típica (es decir, fuselaje paralelo al suelo). La única forma en que este planeador volará hacia adelante (suponiendo que no haya viento de cola) es bajando la nariz, creando un ángulo de ataque negativo con respecto al suelo. La sustentación generada por el perfil aerodinámico aquí tendrá componentes tanto horizontales como verticales en relación con el suelo. Sin embargo, también estás perdiendo altura en esta orientación. El punto aquí es que, sin velocidad inicial (impulso de avance), la única forma de crear velocidad de avance es convertir la energía potencial en energía cinética al perder altitud, por lo que un ángulo de ataque negativo creará velocidad de avance, pero le costará altitud.

En cuanto a sus otras preguntas con respecto al diseño del perfil aerodinámico del planeador frente al diseño del perfil aerodinámico del avión propulsado, el perfil aerodinámico del planeador suele ser de baja inclinación, baja sustentación y baja resistencia. Esto se debe a que, si bien el perfil aerodinámico de camber más alto genera más sustentación, también genera una resistencia significativamente mayor. Esto haría que el planeador perdiera impulso hacia adelante más rápido. Dado que la sustentación es una función de la velocidad, su planeador pierde sustentación durante este tiempo y caerá del cielo. Con propulsión, estas superficies aerodinámicas se pueden usar para transportar cargas más pesadas (ya que se genera más sustentación y la propulsión contrarresta directamente las fuerzas de arrastre). Los planeadores suelen ser ligeros y, por lo tanto, requieren menos sustentación para mantenerse en el aire. Los perfiles de baja resistencia les permiten mantener el impulso y la velocidad hacia adelante sin perder mucha altitud.

En general, siempre desea que la presión debajo del ala sea más alta que la presión sobre el ala. En cuanto no se cumpla esta condición, el avión/planeador comenzará a caer del cielo. También tenga en cuenta que el hecho de que la presión de abajo sea más alta que la presión de arriba no garantiza que la aeronave se mantenga en el aire. La fuerza hacia arriba generada por esta presión (F=P x Área) debe exceder la fuerza hacia abajo causada por la gravedad (F=Masa x Gravedad).