¿Es el arrastre inducido esencialmente nada más que un tipo específico de arrastre de forma?

Question

¿Es el arrastre inducido esencialmente nada más que un tipo específico de arrastre de forma?

ryan mortensen

Si estuviera parado afuera en un día ventoso sosteniendo un objeto rectangular plano como una bandeja de comida en el viento, ortogonal a la dirección del flujo, el arrastre creado se clasificaría, en su mayoría, como arrastre de forma; un diferencial de presión desde el lado de barlovento de mayor presión de la bandeja y su lado de barlovento de menor presión.

Si el ala de un avión comenzara con un ángulo de ataque de 0 grados y se rotara lentamente hasta un ángulo de ataque de 90 grados, la sustentación aumentaría hasta que se excediera el ángulo de ataque crítico, pero el coeficiente de arrastre continuaría aumentando hasta 90 grados.

Supongo que la resistencia creada por el ala a 90 grados es muy parecida a la resistencia creada por la bandeja en el viento.

¿La resistencia inducida no es más que resistencia de forma con una clasificación diferente debido a su naturaleza habitual de discusión con respecto a la sustentación?

Respuestas (3)

¿Es el arrastre inducido esencialmente nada más que un tipo específico de arrastre de forma?

Jan Hudec · Answer 1

Jan Hudec

No, por definición no lo es.

Hay arrastre. El arrastre es causado por diferentes fenómenos físicos. Según la causa, se clasifica en:

Arrastre inducido

La resistencia inducida es un efecto secundario de generar sustentación sobre una envergadura de ala finita.

La sustentación es una fuerza hacia arriba que el aire ejerce sobre el ala. Por el principio de acción y reacción (tercera ley de movimiento de Newton), el ala ejerce una fuerza hacia abajo de igual magnitud sobre el aire, y dado que el aire puede moverse libremente, esa fuerza lo acelera hacia abajo.

Ahora hay dos argumentos equivalentes por los que esto causa arrastre:

En el marco de referencia del ala, el ala no realiza ningún trabajo (porque no se mueve), por lo que no puede cambiar la energía cinética del aire y, por lo tanto, no puede cambiar su velocidad total. Dado que la componente vertical de esa velocidad aumenta, la componente horizontal tiene que disminuir y esto requiere una fuerza de avance del ala. La reacción hacia atrás a esa fuerza es la resistencia inducida.
En el marco de referencia del aire que se aproxima, la energía cinética aumenta. Por lo tanto, el ala tiene que realizar algún trabajo en el aire, lo que significa aplicar fuerza en la dirección de su movimiento. La reacción hacia atrás a esa fuerza es la resistencia inducida.

Las explicaciones son igualmente verdaderas, solo que usan un marco de referencia diferente.

La resistencia inducida disminuye con (el cuadrado de) la velocidad (para elevación constante), porque a mayor velocidad hay más aire para acelerar, por lo que solo necesita acelerarse menos.

La resistencia inducida también es independiente de la sección transversal . Si cancela la sustentación moviendo el elevador o el alerón hacia arriba, es posible que la sección transversal no cambie en absoluto (el flap aún podría estar detrás del ala), pero la resistencia inducida desaparecerá.

Por cierto, de esto se deduce que la resistencia inducida del ala a 90 grados es cero, porque no produce ninguna sustentación. El arrastre de forma es, por supuesto, enorme.

Arrastre de formulario

El arrastre de forma es causado por una recuperación de presión imperfecta detrás del cuerpo. En la parte delantera del objeto que se mueve a través del fluido, el fluido se ralentiza, lo que viene con un aumento de la presión. En el flujo laminar ideal, el fluido se cierra detrás del objeto con la misma velocidad lenta y la misma alta presión. Pero a medida que el objeto se mueve más rápido, la inercia hace que el flujo se separe y forme un área turbulenta detrás del objeto donde la presión permanece baja. Esta diferencia de presión provoca el arrastre de la forma.

El arrastre de forma depende de la sección transversal y la forma del objeto. Siempre aumenta con la velocidad.

Arrastre de interferencia

Cuando se analiza una estructura compleja, como un avión, primero se analiza de forma independiente la resistencia aerodinámica de cada componente (ala, fuselaje, empenaje, etc.). Pero a medida que los componentes se ensamblan, los campos de presión alrededor de las partes se afectan negativamente entre sí y este aumento en la resistencia se denomina resistencia de interferencia.

Arrastre de piel

El arrastre de la piel es causado por la fricción entre la superficie del objeto y el fluido. El arrastre de la piel depende principalmente de la superficie mojada del objeto. Aumenta con la velocidad de forma similar al arrastre de forma, por lo que, a efectos prácticos, suele combinarse con el arrastre de forma en un solo término, el arrastre parásito .

Arrastre de onda

A medida que el objeto que se mueve a través del fluido se acerca a la velocidad del sonido, el flujo lo supera mientras trata de evitar el objeto y forma una onda de choque. Detrás de la onda de choque, la presión es mucho mayor y este aumento no se equilibra con ningún aumento en la parte trasera del objeto, lo que provoca una gran cantidad de resistencia.

Este tipo de arrastre solo aparece cuando la velocidad del flujo se acerca a la velocidad del sonido, pero luego crece rápidamente más que las otras formas.

ryan mortensen

La resistencia inducida es diferente ya que disminuye con la velocidad, pero también lo hace la sección transversal del objeto que golpea el aire y crea la resistencia. Me pregunto: si un ángulo de ataque específico fuera forzado a permanecer constante sobre un ala en un entorno controlado, ¿no aumentaría la resistencia aerodinámica con la velocidad? Si lo fuera, eso también me llevaría a pensar que es solo un tipo de arrastre de forma.

Jan Hudec

@RyanMortensen, si mantuvieras el mismo ángulo de ataque y aumentaras la velocidad, la sustentación aumentaría y la resistencia inducida aumentaría con ella. Pero, por ejemplo, al cambiar la inclinación, puede mantener la misma sección transversal mientras cambia significativamente la resistencia inducida. Pero en última instancia, el argumento es que la definición es diferente. He reescrito la respuesta para incluir una definición más detallada de las otras formas.

ryan mortensen

Su párrafo sobre el arrastre de interferencia es absolutamente la mejor explicación clara y concisa que he leído. Realmente me gusta su respuesta de la forma en que está escrita ahora, pero le daré algo de tiempo a los demás antes de concluir el proceso de preguntas y respuestas.

tommcw

Tus dos viñetas realmente me confunden. La forma en que he llegado a entenderlo es que el vector de la fuerza resultante (la fuerza aerodinámica completa en el ala debido a AoA) no es perpendicular al flujo de aire sino que está ligeramente inclinado hacia atrás porque el aire está siendo forzado hacia abajo y hacia adelante. Si divide el ángulo del vector en componentes verticales y horizontales (con respecto al flujo de aire), la vertical es sustentación y la horizontal es arrastre inducido. Podríamos estar diciendo lo mismo, solo que de diferentes maneras, pero no entiendo tu explicación.

Jan Hudec

@TomMcW, bueno, la fuerza está en ángulo, pero necesitas saber por qué está en ángulo. Puede haber algún argumento directo de la teoría del ascensor, pero eso es bastante complicado. Sin embargo, se puede hacer un argumento simple solo a partir de las leyes del movimiento y la conservación de la energía y eso es lo que estoy tratando de hacer aquí (la conservación de la energía es una ley física divertida; se cumple en todos los marcos de referencia, pero las energías se ven muy diferentes en cada uno, por lo que tenemos descripciones diferentes, igualmente válidas, según el marco de referencia que utilicemos).

revoltijo

Usted dice: The backward reaction to that force is the induced dragpero no puedo reconciliar esto con:

Induced drag decreases with (square of) speed (for constant lift), because at higher speed there is more air to accelerate, so it only needs to be accelerated by less.

De F = ma, seguro que la aceleración ha disminuido y la masa ha aumentado, pero la fuerza permanece constante y como ha definido la reacción a esta fuerza como arrastre inducido, no puedo vea cómo eso explica cómo la resistencia inducida se reduce con la velocidad del aire.

Jan Hudec

@jumblie, el argumento no es sobre la fuerza, sino sobre el poder . En lugar de

F = m a

$F = ma$ , expresamos la fuerza como

F = \dot{m} Δ v_{a i r}

$F = \dot m\Delta v_{air}$ , donde

\dot{m}

$\dot m$ es el caudal másico y

Δ v_{a i r}

$\Delta v_{air}$ el aumento de la velocidad (vertical) del aire. Ya que

\dot{m} \propto v

$\dot m\propto v$ ,

Δ v \propto \frac{1}{v}

$\Delta v\propto\frac{1}{v}$ . Ahora en el marco de referencia del flujo libre, esta aceleración requiere potencia.

P = ½ \dot{m} Δ v_{a i r}^{2}

$P = ½\dot m \Delta v_{air}^2$ y como esto tiene uno mas

Δ v_{a i r}

$\Delta v_{air}$ factor,

P \propto \frac{1}{v}

$P\propto\frac{1}{v}$ . Ya que

P = F v

$P=Fv$ ,

F_{d} = \frac{P}{v}

$F_{d}=\frac{P}{v}$ y esto tiene otro inverso

v

$v$ factor, obtenemos

F_{d} \propto \frac{1}{v^{2}}

$F_{d}\propto\frac{1}{v^2}$ .

Jan Hudec

@jumblie, si miramos el marco de referencia de la aeronave, observamos que la masa de aire que se ve afectada en un momento dado es constante, al igual que la aceleración,

a

$a$ . Esta es una aceleración normal, por lo que cambia la dirección del flujo. Lo sabemos

a = \frac{v^{2}}{r} = ω^{2} r = v ω

$a = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r = v\omega$ (

v

$v$ es la velocidad y

ω

$\omega$ es la velocidad angular).

a

$a$ es constante, entonces

ω \propto \frac{1}{v}

$\omega\propto\frac{1}{v}$ . Ahora el cambio de ángulo

Δ α = ω \frac{s}{v}

$\Delta\alpha=\omega\frac{s}{v}$ , donde

s

$s$ es aproximadamente la longitud de la cuerda (también constante), por lo que

Δ α \propto v^{- 2}

$\Delta\alpha\propto v^{-2}$ y

F_{d} = F Δ α

$F_d=F\Delta\alpha$ .

Jan Hudec

@jumblie, ignoré la trigonometría, aproximando

\sin α = α

$\sin\alpha=\alpha$ y

\cos α = 1

$\cos\alpha=1$ , que es razonable para ángulos pequeños. Lo hice consistentemente en ambas soluciones.

ted ralston · Answer 2

La resistencia inducida es realmente una forma en que los aerodinámicos explican el cambio de dirección del flujo local (neto hacia abajo) en la proximidad inmediata de un ala finita con un borde de fuga afilado a medida que se mueve a través de un fluido en un ángulo de ataque positivo. La resistencia inducida es un término conveniente, ya que implica un origen de resistencia debido a la sustentación y contribuye a la acumulación de fuerza total que se opone al movimiento. Pero la resistencia inducida no surge como una fuerza superficial normal ni como una fuerza de tracción de la piel. Por lo tanto, es diferente al arrastre de forma, la fricción de la piel y el arrastre de excrecencia que surgen debido a la interacción de cizallamiento viscoso entre el fluido y la superficie del ala. Estas fuerzas de arrastre, medibles en el túnel de viento, actúan sobre el revestimiento del ala como una fuerza normal en el área de presión o como fuerzas de tracción tangencial. El arrastre de forma requiere una estructura interna robusta para resistirlo; la piel por fricción pela la pintura; y el arrastre de excrecencia requiere montajes fuertes para antenas y otras protuberancias. La resistencia inducida no se mide en el túnel de viento; se calcula después del hecho. No requiere alojamiento estructural para resistir una fuerza porque no es una fuerza.

¿De qué naturaleza física es, entonces? En realidad, es el resultado de la distorsión local del marco de referencia rectilíneo horizontal-vertical que los ingenieros han adoptado para la contabilidad de fuerzas en el trabajo de rendimiento del avión. Por aclamación, la referencia utilizada para tener en cuenta los efectos de retardo del movimiento es paralela al vector de velocidad en el infinito, y todos los efectos de elevación se concilian perpendicularmente a ese vector. Debido al componente de flujo hacia abajo en el ala misma, el vector de velocidad local real está inclinado en un ligero ángulo hacia abajo con respecto al vector en el infinito; el vector de sustentación, que siempre es normal al flujo de aire local real, se inclina hacia atrás en el mismo ángulo. Cuando este vector de elevación 'doblado hacia atrás' se concilia en el sistema de referencia de fuerza (velocidad st infinito), así habrá una componente de sustentación (su seno) alineada en la dirección de arrastre. A esto lo llamamos arrastre inducido.

Es importante comprender la física de este término convenientemente nombrado, pero mal informado, para comprender lo que significa para el diseño y la operación de aviones.

Un físico, ingeniero y matemático inglés llamado Lanchester descubrió esto y lo publicó en su libro de texto, 'Aerodonetics', antes de que los hermanos Wright incluso volaran hacia Kitty Hawk.

Carlos Felicione · Answer 3

En resumen, no. La resistencia inducida es un subproducto de mover una superficie aerodinámica a través de un fluido para crear sustentación. Es la suma tanto del arrastre de forma del perfil aerodinámico como del vector unitario de la línea de sustentación que se opone al vector de empuje de la hélice o del chorro de escape.

¿Es el arrastre inducido esencialmente nada más que un tipo específico de arrastre de forma?

ryan mortensen

Respuestas (3)

Jan Hudec

No, por definición no lo es.

Arrastre inducido

Arrastre de formulario

Arrastre de interferencia

Arrastre de piel

Arrastre de onda

ryan mortensen

Jan Hudec

ryan mortensen

tommcw

Jan Hudec

revoltijo

Jan Hudec

Jan Hudec

Jan Hudec

ted ralston

Carlos Felicione

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