¿Cuál es el efecto del factor de carga en las estructuras del ala?

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Load_factor

Como punto de partida para una aeronave, el factor de carga es la relación entre la sustentación total y el peso total.

Una manera fácil de imaginar este concepto es entender la idea de que cuando la aeronave vuela a alta velocidad en crucero con un ángulo de ataque pequeño el factor de carga es muy cercano a 1, esto corresponde al primer caso a la izquierda de la imagen. aquí abajo

Ahora, ¿qué es la sustentación? La imagen de abajo se explica por sí misma, por lo que es importante comprender que la sustentación no siempre es una fuerza vertical hacia arriba; cuando la aeronave está bajo un ángulo de alabeo coordinado, la sustentación tiene dos componentes; horizontal y vertical.

Ahora, para simplificar, consideraremos que la sustentación es totalmente producida por las alas, mientras que en el vuelo real es el resultado del ala, el cuerpo y la cola.

Dado que la aeronave está sujeta a un factor de carga de 2, esto significa que la aeronave como cuerpo completo está sujeta a una elevación total (no vertical) igual al doble del peso total de la aeronave.

El ascensor producido es por lo tanto:$2\cdot(5000 + 1500)\,\mathrm{kg}\cdot g = 13000\,\mathrm{kg}\cdot g = 128\,\mathrm{kN}$

Si consideramos que estamos en la pronunciada curva peraltada indicada a la derecha de la imagen superior:

El peso del cuerpo del avión sin las alas es una fuerza hacia abajo sobre la base de las alas.

Además las alas tienen sus propios pesos repartidos, eso produce un torque a la raíz de las alas

Además, el combustible distribuido en las alas produce un par en las raíces de las alas.

Además, cada ala está sujeta a una sustentación distribuida de$\ 6500\,\mathrm{kg}\cdot g = 63.8\,\mathrm{kN}$

El cálculo exacto es difícil porque

• no sabemos el peso desnudo del ala ni el centro de gravedad del ala

• no sabemos la distribución del combustible en el ala, así que no sabemos el centro de gravedad del combustible de cada ala.

Por lo tanto, es imposible calcular las fuerzas cortantes y los pares en las raíces de las alas.

Sin embargo, me imagino que la pregunta principal se refiere a la relación entre la sustentación y el factor de carga, y aquí el punto más importante es comprender que la sustentación no siempre es una fuerza vertical.

El factor de carga no es la fuerza de sustentación. Es el vector de fuerza total en la aeronave + eje Z (apuntando hacia abajo), en unidades [fuerza de la gravedad terrestre]. Una imagen utilizada anteriormente en esta respuesta:

En un giro constante horizontal de 60°, el vector resultante de la gravedad y la fuerza centrífuga tiene una magnitud de 2 * fuerza de gravedad normal. Entonces, debido a alguna circunstancia física, todos los elementos del avión experimentan una fuerza dos veces mayor que la de la gravedad. El ala y el combustible también.

Para mantener el giro constante, la sustentación también debe ser el doble de la del vuelo constante normal. Entonces, la carga de inercia es el doble que la de la gravedad, y la carga de sustentación es el doble que la del vuelo constante.

Por ejemplo, tiene una aeronave sujeta a un factor de carga de 2 y cuya masa total es de 5000 kg y la masa de alas + combustible es de 1500 kg, y se le pide que calcule la carga de inercia de dichas alas.

¿Multiplicarías el peso de las alas por 2?

Sí.

Tenga en cuenta que, estrictamente hablando, los kg no son una medida de peso. Tendrías que multiplicar el peso de las alas por dos.

Con más detalle:

En los términos más generales, se podría decir que el "factor de carga" es igual a la fuerza aerodinámica total dividida por el peso. La convención habitual es utilizar el "factor de carga" para referirse a la fuerza de sustentación dividida por el peso. La diferencia entre los dos resultados podría ser muy significativa en un ascenso empinado en estado estable o en un deslizamiento lateral.

Para el resto de esta respuesta, se usará "factor de carga" para significar la fuerza de elevación dividida por el peso.

Como han señalado otras respuestas, el simple hecho de conocer el "factor de carga" no es suficiente para predecir las tensiones y las tensiones en la raíz del ala, etc., la distribución de la carga también es importante.

Puede ser útil tener en cuenta lo siguiente:

• La "fuerza centrífuga" no es una fuerza real, en el sentido de que a menudo se aplica al análisis del vuelo de un avión que gira.

• La fuerza gravitacional (peso) actúa con una fuerza igual por unidad de masa en cada partícula individual de la aeronave y, por lo tanto, no ejerce tensiones ni tensiones en la estructura de la aeronave.

Sin embargo, no es raro escuchar que la "carga de inercia" que actúa sobre la aeronave en su conjunto se describe como la suma vectorial combinada de la "fuerza centrífuga" y la fuerza gravitatoria. Si esto es realmente "exacto" o "inexacto" puede ser, hasta cierto punto, una cuestión de opinión o marco de referencia; en cualquier caso, el resultado neto siempre es exactamente igual en magnitud (pero de dirección opuesta) a la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave. En el caso más estrecho en el que todas las fuerzas aerodinámicas distintas de la sustentación suman cero, la suma de la "fuerza centrífuga" y la fuerza gravitatoria será igual en magnitud y opuesta en dirección al vector de sustentación. En otras palabras, en el caso de que la fuerza aerodinámica neta sea igual al vector de sustentación, la "carga inercial"

(Tenga en cuenta que esta concepción de "carga inercial" es un poco limitada: considera los efectos relacionados con el giro pero no los relacionados con la rotación; la diferencia rara vez será significativa, excepto en casos inusuales como un giro plano con una alta tasa de rotación. -- estos matices solo se aplican a una discusión sobre la carga de inercia que actúa sobre un elemento dado de la aeronave, no sobre la aeronave como un todo).

Parecería que la pregunta original está usando la frase "carga de inercia de las alas" para describir la porción de la fuerza de sustentación del ala que se absorbe al acelerar la masa de cada ala y, por lo tanto, no contribuye al momento de flexión hacia arriba que actúa en la raíz del ala. Esto sería igual al peso de cada ala multiplicado por el "factor de carga", definiéndose el "factor de carga" como la fuerza de sustentación total dividida por el peso total.

Como no sabemos que el centro de sustentación de cada ala es el mismo que el centro de masa de cada ala, es solo una aproximación aproximada para decir que la sustentación "absorbida" por la "carga de inercia" de cada ala, calculada como hemos dicho anteriormente, no contribuye al momento de flexión en las raíces del ala.

Como punto de partida para una aeronave, el factor de carga es la relación entre la sustentación total y el peso total.

Dado que la Aeronave está sujeta a un factor de carga de 2, esto significa que la aeronave como cuerpo completo está sujeta a una sustentación total igual al doble del peso total de la Aeronave.

El ascensor producido es por lo tanto 2x(5000 + 1500)= 13000kg

La fuerza hacia abajo que se opone a la sustentación es el peso total de la aeronave que es de 6500 kg.

La fuerza ascendente neta sobre las alas es 13000-6500=6500 kg

Para apreciar intuitivamente qué es el factor de carga, tenga en cuenta que cuando el factor de carga es igual a «1», la aeronave no está sujeta a ninguna aceleración vertical, su vario es constante.

Una manera fácil de imaginar este concepto es entender la idea de que cuando el avión está parado en la pista o estacionado, su valor de factor de carga es 1.

Nota: Para completar, tenga en cuenta que la respuesta se trata de fuerzas, por lo tanto, todas las unidades Kg anteriores se refieren a kilogramo-fuerza, de lo contrario, puede multiplicar todos los resultados por «g» para obtener Newton.

Por otro lado, la noción de factor de carga se aplica también a los satélites, por lo que «g» debería considerarse teóricamente como una función variable de la altitud.