¿Cómo puede ser menor la sustentación que el empuje que es menor que el peso? [duplicar]

Su malentendido radica en su pensamiento de que la sustentación es menor que el empuje, mientras que, de hecho, la sustentación es mucho mayor que el empuje.

La sustentación la proporcionan las alas. Su propósito es exactamente crear una fuerza de sustentación (fuerza hacia arriba) mientras requieren un empuje relativamente pequeño (fuerza hacia adelante). Lo bien que hacen esto se expresa por su relación de elevación a arrastre (relación L/D). Un avión moderno puede tener una L/D de 20 o más. ¡Esto significa que por cada newton de empuje, puedes levantar 20 newtons de peso!

Puede pensar en las alas de la misma manera que piensa en un plano inclinado: necesita mucha menos fuerza para empujar un automóvil por una colina suave que por una colina empinada. De hecho, si la colina es suave, la mayoría de las personas pueden empujar el automóvil cuesta arriba, mientras que la mayoría de las personas no pueden levantar un automóvil con una sola mano. Las alas funcionan empujando el aire hacia abajo, y empujando el aire hacia abajo en un ángulo relativamente pequeño (avanzando muy rápido), necesitas menos fuerza para avanzar que para levantar el avión.

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Si quieres saber más que esta explicación 'intuitiva', quizás pueda recomendarte esta respuesta mía . Presentaré una breve derivación a continuación, con el objetivo de calcular el L/D (arrastre parásito por negligencia) puramente a partir de primeros principios.

La elevación se debe a un cierto flujo másico.$\dot{m}$se le da una cierta velocidad$v$hacia abajo:

$$L=\dot{m}v.$$ Este flujo másico se debe a que las alas encuentran una cierta cantidad de aire; como aproximación, se puede pensar que el avión sólo incide sobre un 'tubo' circular de aire de diámetro igual a su envergadura. La energía por unidad de tiempo (potencia) necesaria para impartir este impulso hacia abajo es igual a $$P=\frac{1}{2}\dot{m}v^2.$$

Esta potencia es proporcionada por la combinación de empuje$T$y la velocidad de avance,

$$P=Tu.$$ Esto nos da una expresión para el empuje: $$T=\frac{P}{u} = \frac{1}{2}\dot{m}\frac{v^2}{u}.$$ Tenga en cuenta que el empuje$T$es igual a la fuerza de arrastre$D$, por lo que ahora podemos calcular el L/D:

$$\frac{L}{D}=\frac{L}{T} = \frac{\dot{m}v}{\frac{1}{2}\dot{m}\frac{v^2}{u}} = 2\frac{u}{v}.$$

En otras palabras, como dije antes, la relación L/D es exactamente cuán 'superficial' es el vector de velocidad relativa del flujo de aire afectado. De ello se deduce que la velocidad de avance$u$debe ser lo más grande posible para maximizar la L/D. Sin embargo, solo tomé en cuenta el llamado "arrastre inducido por sustentación", que es puramente la fuerza horizontal que se necesita para crear una fuerza de sustentación vertical. En realidad, también hay arrastre parasitario, que escala con$u^2$y en algún momento dominará la reducción de L/D.

Porque un ala produce mucha más sustentación que arrastre.

El empuje debe ser igual a la resistencia, no a la sustentación.

...una relación empuje-peso tan baja como 0,3.

Esa es una relación de arrastre a elevación, en realidad. Y es por eso que encuentra aviones de ala fija en todas partes, de lo contrario, todos los aviones serían VTOL.

Para que cualquier avión vuele nivelado a una altitud constante, la cantidad de sustentación generada por sus alas debe ser igual a su peso. Si la sustentación excede el peso, el avión comienza a ascender. Si el peso supera la sustentación, el avión comienza a descender. En un ascenso/descenso a velocidad constante, la sustentación es igual al peso; una simplificación que ignora el vector de fuerza propulsora .

El motor y la hélice de un avión ligero como un Cessna de 4 asientos no desarrollan más de un par de cientos de libras de empuje en el despegue, que es mucho menor que el peso del avión. Pero esa cantidad de empuje es suficiente para mover las alas del avión a través del aire a una velocidad suficiente para hacer que el avión despegue del suelo.

Tenga en cuenta que el empuje de propulsión no tiene que ser igual al peso del avión para hacerlo volar; esto solo es cierto si el avión no tenía alas y estaba tratando de levantarlo del suelo apuntando el avión hacia arriba y "colgándolo" de su hélice.

Cuando empujas tu auto en un área plana, necesitas muy poca fuerza para moverlo, mucho menos que su peso.

Con la misma fuerza con la que está empujando el automóvil, nota que al principio obtendrá un movimiento acelerado y luego, debido principalmente al arrastre, la velocidad se vuelve constante a pesar de mantener el mismo esfuerzo de empuje.

Por lo tanto, para hacer que un avión acelere, solo necesita superar la resistencia.

La aceleración significa aumentar la velocidad, por lo tanto, la resistencia, pero todo lo que necesita es superar la resistencia, no el peso.

Para despegar basta con conseguir la velocidad necesaria para que las alas proporcionen, en función del ángulo de ataque, esa sustentación que está justo por encima del peso del avión.