¿Cómo se crea la resistencia a partir de los vórtices en las puntas de las alas?

¿Cuál es la razón de la resistencia debido a los vórtices en las puntas de las alas?

Esta pregunta es sobre el rendimiento (general), pero no responde al aspecto de arrastre.

Arrastrar y levantar no existen per se. Son componentes de la fuerza aerodinámica , la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el ala. Tiene una dirección (vector) y, como cualquier vector, se puede descomponer en componentes arbitrarios que se suman como la fuerza inicial. Convencionalmente, dividimos la fuerza aerodinámica en dos componentes: uno perpendicular al flujo de aire (ascensor), otro paralelo al flujo de aire (arrastre). Entonces, cualquier cosa que incline la fuerza aerodinámica lejos de la vertical crea resistencia. Un vórtice desvía la fuerza, por lo que crea resistencia.
@mins Esa no es una buena respuesta sobre qué causa el arrastre adicional. No puede asumir que la fuerza aerodinámica resultante es vertical, después de todo, se compone de sustentación y arrastre.
La pregunta tal como está ahora (después de la respuesta de Peter Kämpf) parece ser más si el vórtice es la causa del flujo alrededor de la punta del ala, o simplemente la presencia de la punta del ala.

Respuestas (3)

Los vórtices en las puntas de las alas no crean resistencia, al igual que las calles mojadas no provocan la lluvia.

La creación de elevación y la viscosidad crean arrastre . El arrastre se compone de arrastre de presión y arrastre viscoso, y el arrastre inducido es una parte del arrastre de presión . Desafortunadamente, Internet está lleno de memes que atribuyen la resistencia inducida a esos vórtices en las puntas de las alas, pero un poco de aire arremolinado detrás de un ala difícilmente puede causar alguna resistencia, ¿o sí?

Véalo de otra manera: si el ala no creara ninguna sustentación, el aire no fluiría alrededor de la punta ni se enrollaría. Entonces, ¿por qué no leemos que el vórtice de la punta es la fuente de sustentación ? Esto usa exactamente la misma lógica que decir que el vórtice de la punta crea arrastre, y es igualmente incorrecto.

Los vórtices de punta de ala son solo la punta de una hoja de vórtice completa que sale del ala. Esta hoja de vórtice es la consecuencia de que el ala acelera el aire hacia abajo. Ahora, en lugar de repetirme todo nuevamente, permítame señalarle las muchas otras respuestas que explican lo que está sucediendo:

  • Esta respuesta explica en detalle cómo se crea la sustentación y cómo se logra la aceleración hacia abajo del aire.
  • Esta respuesta entra en la formación de la estela y los vórtices en las puntas de las alas.
  • Esta respuesta muestra por qué una mayor envergadura reduce la resistencia inducida. Importa poco si las puntas de las alas están giradas hacia arriba, hacia abajo o continúan en línea recta: una mayor envergadura reduce la resistencia inducida.

Los Winglets aumentan la cantidad de aire involucrado en la creación de sustentación y reducen la resistencia inducida para la misma sustentación. En la mayoría de los casos, se utilizan para crear más sustentación con la misma envergadura geométrica sin incurrir en una penalización por arrastre desproporcionada.

Todavía estoy pensando en ello y leyendo los enlaces.
..some swirling air behind a wing can hardly cause any drag..¿Por qué sería una suposición tan extraña? La creación de un vórtice requiere energía. La estela de la hélice está completamente aguas abajo de la hélice, pero crear el torbellino costó energía.
@Koyovis: El remolino es solo la señal de que el aire se ha acelerado antes , al igual que el agua en las calles evidencia que ha llovido antes .
¿Por qué el A320 tenía vallas en las puntas de las alas antes de tener sharklets?
@Koyovis La elección de cercas sobre otras construcciones probablemente esté influenciada por una compensación entre elevación y arrastre.
@PeterKämpf Me doy cuenta de que el aire que sale del borde de fuga se acelera hacia abajo, que la resistencia inducida no es causada únicamente por los efectos de la punta del ala, que aguas abajo del ala, la discontinuidad en la punta se está rellenando sin ningún impacto energético para el avión. , y que existe una gran cantidad de confusión sobre el tema. Sin embargo, si se crea sustentación en la punta y el aire se voltea, ¿cómo es que eso no tiene un impacto energético? Relacionado: ¿por qué las distribuciones de elevación elíptica y triangular proporcionan la menor resistencia, si no es para evitar el remolino adicional?
@Koyovis: la resistencia inducida es una inclinación hacia atrás en el vector de fuerza resultante cuando integra toda la presión sobre las superficies de la aeronave. En otras palabras: el arrastre es causado por la presión (y el corte), no por los remolinos de aire. Que el aire se arremoline se debe a que antes fue succionado hacia la baja presión. El remolino es una consecuencia de la aceleración, que a su vez hizo que la creación de baja presión fuera más costosa en términos de menos sustentación y más arrastre cuando se integra la presión.
@mins: Ese es un comentario capcioso: quiero ilustrar cómo la gente confunde causa y efecto. El vórtice es el efecto pero no la causa del flujo de creación de arrastre. Y el flujo de creación de elevación, por cierto. Pero nadie afirma que el vórtice de la punta sea la fuente de sustentación (lo cual es igualmente falso y usa exactamente la misma lógica). Imagínate.

La respuesta corta es la siguiente: la resistencia no se "crea a partir de" los vórtices de las puntas de las alas. dice McLean ,

La hoja de vórtice que se arrastra y los núcleos de vórtice enrollados a menudo se consideran la causa directa de las velocidades en cualquier otro lugar del campo de flujo y, por lo tanto, también la causa del arrastre inducido, pero esta opinión es errónea. Es cierto que cuando un ala 3D produce su característico patrón de flujo a gran escala... debe haber una hoja de vórtice que se desprende del borde de salida, pero la hoja de vórtice no es una causa física directa del flujo a gran escala; es más una manifestación.

Más fundamentalmente,

En ausencia de fuerzas corporales gravitatorias o electromagnéticas significativas, no hay acción a distancia en los flujos de fluidos ordinarios. Las fuerzas significativas se transmiten solo por contacto directo entre paquetes de fluidos adyacentes. Por lo tanto, no hay forma de que un vórtice en el punto A pueda "causar" directamente una velocidad en algún punto remoto B, y términos como "causado por", "inducido" e incluso "debido a" tergiversan la física.

Un par de cosas deben tenerse en cuenta aquí. En primer lugar, McLean analiza toda la estela de cola del ala, no solo los vórtices de las puntas. Pero los vórtices de la punta son simplemente un componente de la estela final, por lo que la discusión puede aplicarse únicamente a ellos si lo desea. En segundo lugar, "es más una manifestación" no significa, por el contrario, que la resistencia crea vórtices en las puntas de las alas. El patrón de flujo detrás de un ala es el resultado de satisfacer simultáneamente la conservación de la energía, la masa y el momento. Todas las relaciones de causa y efecto de la aerodinámica clásica están en realidad todas inextricablemente entrelazadas en la física.

Entonces, ¿por qué se dice a menudo que los vórtices en las puntas de las alas crean resistencia?

Hay varias formas de pensar en ello, pero esta es la que he encontrado más instructiva y cuyo beneficio es que no necesitamos preocuparnos por los detalles del campo de flujo. dice anderson ,

Los vórtices de las puntas de las alas contienen una gran cantidad de energía cinética de traslación y rotación. Esta energía tiene que venir de alguna parte; de hecho, en última instancia lo proporciona el motor del avión, que es la única fuente de energía asociada con el avión. Dado que la energía de los vórtices no tiene ningún propósito útil, este poder se pierde esencialmente. En efecto, la potencia adicional proporcionada por el motor que entra en los vórtices es la potencia adicional requerida del motor para superar la resistencia inducida.

Un par de cosas más deben tenerse en cuenta aquí. Primero, Anderson está discutiendo solo los vórtices de la punta, no toda la estela del ala. Pero los vórtices de la punta son simplemente un componente de la estela final, por lo que la discusión puede aplicarse (y realmente debería aplicarse) a todo el asunto. En segundo lugar, plantea el tema de los aviones sin motores. Preferiría que Anderson hubiera dicho "sistema de propulsión" en lugar de "motor" para generalizar en este caso, pero la física es la misma: la "potencia adicional" para un planeador se puede considerar como la energía potencial adicional necesaria para impartir cinética. energía en la estela o incluso la energía cinética adicional que un avión de remolque o térmica necesita proporcionar para construir esa energía potencial.

Una nota final sobre la resistencia inducida: la razón por la que tenemos sustentación es nuevamente la satisfacción simultánea de la conservación de la masa, la energía y el momento. Más específicamente, la sustentación ocurre cuando el ala imparte energía al aire de tal manera que se mantiene la distribución correcta de la presión. Desafortunadamente, la energía puesta en el aire que crea sustentación es exactamente la misma energía que Anderson describe como necesaria para superar la resistencia inducida. Este acoplamiento es fundamentalmente la razón por la que no podemos tener sustentación en el mundo real sin resistencia.

Un planeador o planeador también tiene vórtices.
¡Seguro que lo hace! El "sistema de propulsión" abarca más que solo un motor.
Lo sé, pero tengo problemas para encajar la gravedad o las térmicas en la imagen.
Un par de diagramas de cuerpo libre probablemente iluminarían las cosas.
¿Para el avión o la partícula de aire que sale de la punta del ala (que no es el origen del vórtice según la respuesta de Peter Kämpf, si lo entendí bien)?
Un FBD para la aeronave. Las moléculas de aire constituyen el vórtice; No creo que estés interpretando correctamente la respuesta de Peter Kämpf. Está disipando algunos mitos sobre la creación y los efectos de los vórtices, no sobre su constitución.
Lo recuerdo escribiendo que el vórtice de la punta del ala no crea arrastre (ver su respuesta arriba) y que el vórtice de la punta del ala realmente no tiene su origen en la punta del ala.
Está bien, pero no necesitamos preocuparnos por la mecánica detallada del vórtice para analizar la energía de todo el sistema.
Sin embargo, me ayuda un poco pensar en el flujo de aire alrededor de la punta del ala.

Los vórtices en las puntas de las alas aumentan la resistencia aerodinámica de dos maneras:
- La presión en todo el borde posterior (trasero) del ala se reduce, lo que aumenta la diferencia de presión entre el borde delantero (frontal) y el borde de formación.
- Reduce la sustentación, por lo que necesita un ala más grande para transportar la misma carga. Las alas más grandes obviamente tienen más resistencia.

Según, entre muchos otros, el Memorándum técnico 81230 de la NASA, 'Efecto de los Winglets en el arrastre inducido de las formas ideales de las alas' por RT Jones y TA Lasinski, las alas permiten reducir el arrastre. El memorándum comienza con la siguiente oración: "Se sabe desde hace muchos años que las aletas verticales o las placas de los extremos en las puntas de un ala pueden reducir significativamente la resistencia al vórtice".
http://www.engbrasil.eng.br/artigos/art60.pdf

También se puede encontrar más información en este enlace: https://www.mh-aerotools.de/airfoils/winglets.htm#Induced%20Drag

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