¿Cómo se gestiona la velocidad vertical en los aviones? [duplicar]

La velocidad vertical se gestiona, principalmente, con mandos .

La sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad y al ángulo de ataque¹ y el ángulo de ataque se puede ajustar usando los elevadores. Piloto, o automatización, utilícelos para controlar la trayectoria de vuelo de la aeronave.

A medida que la aeronave acelera a lo largo de la pista, en algún momento el piloto tira de la columna de control, lo que eleva los elevadores y la fuerza aerodinámica resultante en la cola levanta la nariz del suelo². Eso aumenta el ángulo de ataque, porque la aeronave todavía se mueve horizontalmente, la sustentación supera al peso y la aeronave acelera hacia arriba.

A medida que comienza a acelerar hacia arriba, el piloto alivia el tirón de la columna de control para evitar que la aeronave se eleve aún más. Y a medida que la aeronave acelera hacia arriba, el ángulo entre la dirección en la que vuela y el cabeceo, que es el ángulo de ataque³, vuelve a disminuir, hasta que las fuerzas se equilibran. Entonces el avión está en ascenso constante.

Cuando la aeronave alcanza la cima de la subida, el piloto⁴ empuja la columna de control. Esto hace que la aeronave se incline hacia abajo, lo que reduce el ángulo de ataque y, por lo tanto, se eleva, y la aeronave comienza a acelerar hacia abajo, es decir, ralentiza el ascenso. En el punto en que la aeronave se mueve horizontalmente, la columna de control se empuja hacia atrás para que las fuerzas vuelvan a estar en equilibrio.

Ahora, para los detalles del funcionamiento de los controles, entra en juego la estabilidad longitudinal . Las aeronaves normalmente⁷ están diseñadas para ser estables longitudinalmente. Eso significa que la aeronave cabeceará hacia arriba a medida que disminuya su ángulo de ataque, lo que lo vuelve a aumentar, y hacia abajo a medida que aumente su ángulo de ataque, lo que lo disminuirá nuevamente. El resultado neto es que cuando los elevadores se dejan solos, la aeronave mantendrá un ángulo de ataque específico.

A medida que la aeronave asciende, tenderá a disminuir la velocidad a menos que se aumente la potencia del motor, porque su energía potencial aumenta y se tomará de la energía cinética si los motores no proporcionan suficiente⁸. Y a medida que disminuya la velocidad, su sustentación disminuirá, por lo que su ángulo de ataque aumentará, pero eso hará que se incline hacia abajo debido a la estabilidad. El resultado neto es que se negará a escalar a menos que se proporcione suficiente energía.

De manera similar, cuando desciende, tenderá a acelerar, porque la energía potencial se convertirá en cinética⁹ y eso aumentará la sustentación, lo que disminuirá el ángulo de ataque y la estabilidad hará que el avión se incline hacia arriba. Por lo tanto, se negará a descender a menos que se reduzca la potencia.

Entonces, al final, la velocidad vertical en realidad es administrada por palancas de empuje . Lo cual también es mucho más fácil de probar a partir de la ley de conservación de la energía.

¹ Hasta el ángulo de ataque crítico, donde se produce la entrada en pérdida.

² Esto se llama rotación.

³ El ángulo de ataque se define correctamente como el ángulo entre el viento relativo y la línea de cuerda del ala, pero en la práctica se utiliza a menudo el eje del avión. Esto simplifica las cosas ya que no tiene que considerar el ángulo de incidencia (ángulo entre el eje del avión y la cuerda del ala), especialmente porque muchos aviones tienen alas torcidas donde el ángulo de incidencia cambia a lo largo del tramo.

⁴ O más a menudo el piloto automático. Si bien el despegue siempre se realiza manualmente, por encima de FL290⁵ se requiere el uso del piloto automático, ya que se vuelve demasiado agotador y poco confiable mantener la altitud a mano con suficiente precisión para garantizar la separación⁶.

⁵ Los niveles de vuelo se definen por la presión correspondiente a una altitud dada, en cientos de pies, en un día estándar. Entonces FL290 es 29,000 pies, pero más cuando hace calor y menos cuando hace frío. La razón es que la presión se puede medir fácilmente y con bastante precisión y volar a presiones suficientemente diferentes asegura que las altitudes también sean diferentes.

⁶ Originalmente, la separación mínima era de 2000 pies por encima de los 29 000 pies debido a la menor precisión de los altímetros y la menor precisión de vuelo, ya que la aeronave se mueve más rápido en el aire más delgado allí arriba. Pero debido a que todas las aeronaves no cabrían allí con esas separaciones, se permitieron 1000 pies siempre que la aeronave vuele con piloto automático y tenga un altímetro suficientemente preciso. Esto se denomina mínimas de separación vertical reducidas.

⁷ Algunos cazas están diseñados intencionalmente como inestables, porque permite una respuesta de control más rápida. Todos estos aviones tienen controles computarizados que compensan esto, de lo contrario sería muy agotador volar.

⁸ Alternativamente, considere que el vector de sustentación está inclinado hacia atrás y, por lo tanto, tiene un componente hacia atrás más grande, que es la resistencia. La física siempre tiene múltiples formas de analizar una situación.

⁹ El vector de sustentación se inclina hacia adelante en el descenso, por lo que hay algún componente hacia adelante que acelera la aeronave.

Aquí hay una línea de tiempo de un avión que despega y sube al crucero:

1. El avión hace su carrera de despegue. Durante esta fase, la fuerza ascendente sobre la aeronave es igual al peso de la aeronave. La velocidad vertical es cero. Inicialmente, toda la fuerza hacia arriba es producida por el tren de aterrizaje.
2. El avión cabecea y comienza a ascender. Durante esta fase (que dura solo unos segundos), la fuerza hacia arriba es mayor que el peso. La velocidad vertical está aumentando.
3. El avión sube constantemente. Durante esta fase, la fuerza hacia arriba es aproximadamente igual al peso nuevamente. La velocidad vertical es positiva, aproximadamente constante.
4. El avión se nivela. Durante esta fase, la fuerza hacia arriba es menor que el peso. La velocidad vertical está disminuyendo.
5. El avión navega a una altitud constante. Durante esta fase, la fuerza hacia arriba es igual al peso. La velocidad vertical es cero.

Para responder a sus preguntas específicas:

Cuando hay una fuerza resultante, ¿no debería aumentar constantemente la tasa de ascenso?

Así es; siempre que la fuerza hacia arriba sea mayor que el peso. Sin embargo, mientras la velocidad vertical de un avión aumente, su ángulo de ataque disminuirá automáticamente, incluso si mantiene un cabeceo constante. Entonces, en la práctica, cada vez que la fuerza hacia arriba sea mayor que el peso, volverá a bajar rápidamente hasta que sea aproximadamente igual al peso nuevamente.

Y cuando el avión alcanza la altura deseada, supongo que la velocidad horizontal disminuye o el avión vuelve al estado normal desde la posición de cabeceo, ...

Esta parte es correcta. Generalmente, cuando los pilotos deciden que han terminado de escalar, se inclinan hacia abajo para detener la escalada.

... básicamente equilibrando el ascensor con su propio peso.

Esta parte no es correcta. Durante el ascenso, la fuerza ascendente y el peso ya están equilibrados. La forma en que los pilotos detienen el ascenso es haciendo que la fuerza hacia arriba sea menor que el peso.

No creo que los pilotos normalmente piensen en la fuerza y ​​el peso hacia arriba; el proceso de pensamiento es más como "Quiero escalar, así que me lanzaré hacia arriba" y "Quiero dejar de escalar, así que me lanzaré hacia abajo". Pero "detrás de escena", lo que realmente están haciendo es ajustar la fuerza ascendente.

(Notará que estoy diciendo "fuerza hacia arriba" en lugar de "elevación". A los efectos de este tema, la diferencia no es importante, pero hay una diferencia).

En este momento, el avión tiene cierta velocidad vertical correcta, entonces, ¿no se supone que el avión está subiendo con una velocidad constante, incluso después de alcanzar la velocidad deseada, ya que los objetos continúan moviéndose a la misma velocidad cuando no existe fuerza sobre ellos?

Tu razonamiento es correcto. Si los pilotos quieren mantener constante la velocidad vertical, mantendrán la fuerza ascendente igual al peso. Cuando quieran empezar a escalar, harán que la fuerza hacia arriba sea mayor que el peso, y cuando quieran dejar de escalar, harán que la fuerza hacia arriba sea menor que el peso.

Me parece útil mirar los vectores de fuerza:

(fuente: trabajo propio)

La izquierda muestra las fuerzas de forma convencional, con el plano en el centro. Sin embargo, si los reorganizamos como a la derecha, podemos ver que las fuerzas están equilibradas. Esto significa que el avión está en vuelo sin aceleración .

Si cabeceamos para subir, esto es lo que sucede:

]

(fuente: trabajo propio)

Los vectores de empuje, sustentación y arrastre giran con el avión, pero la gravedad sigue apuntando hacia abajo. A la derecha, podemos ver que las fuerzas ya no están equilibradas, por lo que el avión acelera hacia arriba.

Si no hacemos nada más para compensar:

(fuente: trabajo propio)

A la izquierda, el avión reduce la velocidad, lo que reducirá la sustentación y la resistencia. Ahora las fuerzas se equilibran y el avión vuelve a volar sin acelerar.

En el centro, completamos nuestro ascenso y volvemos a bajar. Sin embargo, las fuerzas vuelven a estar desequilibradas, por lo que el avión acelera hacia abajo.

A la derecha, el avión acelera, lo que aumenta la sustentación y la resistencia. Ahora las fuerzas se equilibran y el avión vuelve a volar sin acelerar.

Si también ajustamos el empuje, los resultados son ligeramente diferentes:

(fuente: trabajo propio)

A la izquierda, aumentamos el empuje para mantener la velocidad, lo que mantendrá la resistencia aerodinámica igual, pero la sustentación seguirá disminuyendo. Ahora las fuerzas se equilibran y el avión vuelve a volar sin acelerar.

En el centro, completamos nuestro ascenso y volvemos a bajar. Sin embargo, las fuerzas vuelven a estar desequilibradas, por lo que el avión acelera hacia abajo.

A la derecha, reducimos el empuje para mantener la velocidad, lo que mantendrá constante la resistencia y aumentará la sustentación. Ahora las fuerzas se equilibran y el avión vuelve a volar sin acelerar.

Resumen: si bien hay aceleración en la parte superior e inferior de la subida, no la hay durante la subida en sí, por lo que la velocidad vertical permanece constante.

¿"Acelerar salvajemente como un camión de 18 ruedas ganando impulso"? Ahora espera ahí, sólo un segundo.

El quid de esta cuestión es el equilibrio de fuerzas. En la atmósfera, la resistencia es lo que evita que cualquier objeto se acelere continuamente. El arrastre aumentará con la velocidad hasta que su fuerza sea la misma que la fuerza de aceleración. Ahora tienes fuerzas equilibradas a velocidad constante.

El ejemplo más fácil es el paracaídas. Sin uno, su velocidad terminal será de alrededor de 120 mph cayendo boca abajo con los brazos y las piernas extendidos. Incluso más rápido si apunta directamente hacia abajo (menos arrastre). El paracaídas proporciona mucha más resistencia y requiere solo 15 mph para equilibrar la aceleración gravitacional.

En los vehículos de 18 ruedas tratamos de controlar nuestra velocidad con frenado dinámico (desde el motor) para evitar el calentamiento de los frenos. También sabemos que duplicar la velocidad calentará los frenos 4 veces más rápido ya que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad. También cabe destacar que la distancia de frenado es 4 veces mayor. El control de velocidad también sirve para aterrizar, ya que la misma energía cinética cuadrará con la velocidad. A 70 mph tienes un 36% más de energía que a 60 mph.