¿Es posible el "exceso de empuje" en un diagrama vectorial de estado estable?

Recientemente me convencí mucho del modelo de triángulo cerrado de sustentación-peso-empuje (con el peso formando la hipotenusa) para el vuelo ascendente, procedí a poner la lógica a prueba (validación) y me quedé atascado en un concepto bastante básico: el exceso de empuje puede ser sólo transitorio.

Aumentar el acelerador aumenta la velocidad. Podemos iniciar un ascenso con más velocidad, el empuje trabajando contra el aumento de la resistencia y mantener el ascenso contra el vector de sustentación inclinado aumentando el coeficiente de sustentación, aumentando el AOA .

Tenga en cuenta que con un avión GA (25 % de empuje máximo para sustentar), el aumento excesivo del AOA conduce a la pérdida de velocidad aerodinámica. De hecho, esta es la forma de entrar en pérdida un avión.

El cabeceo nunca puede pasar a flotar antes de detenerse.

¿Alguien puede confirmar que, más allá de aplicar el acelerador antes de la carrera de despegue, existe un "exceso de empuje"?

"Exceso de empuje" significa "más empuje del requerido para un vuelo nivelado", no "más empuje del requerido para un vuelo sin aceleración". Creo que puede estar atascado en esta definición.
@Sanchises eso sería exceso de empuje disponible . No pretendo ser un creador de problemas, pero ese diagrama vectorial de "levantamiento-arrastre-peso" está en duda (para aviones ligeros GA).
Publicaré una respuesta más tarde. El diagrama de cuerpo libre no puede ser cuestionado porque significaría el fin de la física newtoniana :)
Sí, siempre existe un exceso de empuje cuando el avión está acelerando. Pero eso no es estrictamente un estado estacionario. Sin embargo, es perfectamente posible extender el triángulo vectorial por un término de aceleración que equilibre el empuje extra. Lo mismo con el ascenso: esto no es estrictamente un estado estable, pero se puede modelar casi estacionario porque los parámetros cambian solo lentamente. Al final, incluso el vuelo horizontal no acelerado no es estrictamente estable ya que el combustible se quema, por lo que la masa de la aeronave disminuye con el tiempo.
El empuje adicional de @Peter Kampf conduce a una resistencia adicional, ya sea por una mayor velocidad o por un mayor AOA (o por una mayor inclinación). A lo que me refiero, para este nivel de relación peso-empuje, es que (sin siquiera tomar el pecado (ángulo de ascenso) y aplicarlo al vector de peso vertical), es que (en un entorno aerogravimétrico), más empuje se equilibra con más arrastre. Es el aumento de energía del sistema (Power) lo que nos permite ir más rápido o escalar.
@Sanchises, por favor, no, no es el final de la física newtoniana, es posible que no se aplique a un avión GA que sube. Allí, la estabilidad estática puede permanecer vigente incluso al ascender o descender, lo que permite vectores de sustentación más grandes, no más pequeños. Un Piper Cub no puede tomar parte de su empuje y aplicarlo para sustentación. Necesita usar la ventaja mecánica del ala. Sin embargo, tenga en cuenta que el diagrama de sustentación-empuje-peso sí funciona (en su forma más simple) para un cohete, ya que el cohete tiene suficiente empuje para igualar el peso y la resistencia .
@RobertDiGiovanni: En el primer momento, la velocidad sigue siendo lenta y todo el aumento de la resistencia proviene de la estela más fuerte. En un ascenso, el empuje debe ser mayor porque el peso tiene un componente hacia atrás (en relación con la línea de empuje) y parte del peso lo soporta el empuje del motor. La misma razón por la que la sustentación se vuelve más pequeña en una subida: el motor se hace cargo un poco.
@Peter Kampf muchas gracias por su experiencia y comentarios. Siempre son un placer leerlos y reflexionar. Todo esto es plausible, pero no estoy de acuerdo (por ahora) ya que la elevación hace que el avión sea "ingrávido". No hay vector para desplazarse hacia adelante y hacia atrás. Como el ala proporciona esencialmente una ventaja mecánica (que no se muestra en los diagramas vectoriales), puede ser mejor usar un empuje adicional para una mayor resistencia (a partir del aumento de AOA o velocidad).
Parece que esto podría ser un duplicado de --aviation.stackexchange.com/questions/40921/… -- al menos puede ser respondido leyendo las respuestas correctas a esa pregunta
Re "es posible que no se aplique a un avión GA que sube. Allí, la estabilidad estática puede permanecer en efecto incluso cuando sube o desciende, lo que permite vectores de elevación más grandes". triángulo rectángulo de (TD), W y L, con W como hipotenusa y L y (TD) ambos no verticales. Tenga en cuenta la amplia referencia al ángulo de ataque constante en todas mis respuestas relacionadas con el equilibrio de fuerzas en el vuelo ascendente. Eso es lo que "trata" de hacer la estabilidad estática: mantener un ángulo de ataque constante.
Tenga en cuenta la referencia a tener que mover la palanca o el yugo hacia adelante si queremos ver que un aumento en el empuje resulte en un aumento en la velocidad aerodinámica y ningún cambio en la actitud de cabeceo, en el tercer párrafo desde el final de esta respuesta. aviación.stackexchange.com / a/82047/34686 . Consulte también el tercer párrafo de la respuesta actual Aviation.stackexchange.com/a/82237/34686 para conocer lo que sucede cuando aumentamos el empuje sin cambiar el ángulo de ataque .
¿Es posible que las buenas respuestas a la siguiente pregunta nueva propuesta de ASE ayuden a satisfacer su inquietud: "Dé una descripción detallada de lo que sucede exactamente con la magnitud y la dirección de los vectores de elevación, arrastre y empuje, y la vector de velocidad aerodinámica y la tasa de ascenso, cuando estamos volando nivelado y luego aumentamos el empuje, sin mover el elevador. Suponga que una fuerte estabilidad estática mantiene constante el ángulo de ataque. Suponga cero empuje hacia abajo o hacia arriba, en relación con la dirección de la ruta de vuelo".
No estoy seguro de que sea un duplicado de cualquier pregunta ya hecha o no. Muchas de mis respuestas se refieren a esto, pero no estoy seguro de que ninguna se explique con todo detalle, incluidas las fuerzas durante la transición a la escalada y las fuerzas en la escalada de estado estable que sigue.
@quiet flyer He dicho repetidamente que el diagrama vectorial cerrado funciona. Los puntos más finos son cómo se distribuye el "empuje en exceso". En ángulos de ascenso más bajos, podemos hacer cosas realmente interesantes, como subir un poco más rápido con un AOA más bajo.
Ahora, para aquellos a quienes no les importe un poco de diversión y controversia, aplanemos el tono aún más y usemos el exceso de sustentación, en lugar del exceso de empuje para acelerar hacia arriba . ¿Qué podría hacer esto con nuestro ajuste? ¿Podríamos necesitar un poco menos de carga aerodinámica del elevador (arrastre)? ¿Esto comienza a parecerse un poco a Vbg? Dos observaciones a tener en cuenta, un avión estáticamente neutro se elevará, pero no cabeceará con fuerza en una ráfaga. Un timón es defectuoso en la dirección opuesta para mantener la línea en un deslizamiento lateral.
Entonces, podemos ver que el "triángulo cerrado" es un buen punto de partida para el modelado mecanicista, pero será probado. (Risas malvadas opcionales)
@RobertDiGiovanni: vea mis comentarios en la respuesta de Sanchises, pueden aclarar algo que se está perdiendo.
@quiet flyer ¿alguna vez has oído hablar de "ascenso en crucero"?

Respuestas (3)

En primer lugar, debemos tener claro qué es exactamente el "exceso de empuje". Voy a enumerar dos posibles definiciones, aunque muchas más pueden ser posibles.

  1. El exceso de empuje es el componente de la fuerza resultante en la dirección de la trayectoria de vuelo. Usando esta definición, el exceso de empuje y el vuelo en estado estable están directamente en desacuerdo (porque cualquier fuerza neta da como resultado una aceleración). Entonces, en ese caso, no, el exceso de empuje no es posible en un vuelo de estado estable.
  2. El exceso de empuje es empuje menos arrastre. Divide la cosa grande y grumosa llamada 'empuje' en dos números: uno que se usa para contrarrestar el arrastre (que siempre está ahí) y otro que se puede usar para cosas útiles.

Como ya respondimos la primera opción, ahora produciré los diagramas de cuerpo libre para la segunda opción.

ingrese la descripción de la imagen aquí

A la izquierda, tenemos vuelo nivelado. Reconocemos las cuatro fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación (azul), peso (verde), arrastre (rojo), empuje (naranja). Inmediatamente queda claro que todas las fuerzas se anulan entre sí, y seguiremos adelante felizmente.

En el medio, tenemos un ascenso de estado estable. Todos los vectores, excepto el vector de peso, se 'inclinan' hacia atrás y cambian de magnitud. La sustentación ha disminuido ligeramente y, como consecuencia, la resistencia también ha disminuido minuciosamente (aunque esto realmente no importa). El cambio más grande se puede ver en el empuje, ¡que casi se ha duplicado en magnitud!

En la imagen de la derecha, he probado que a pesar de todos estos cambios, la fuerza neta sigue siendo cero. He reemplazado el vector de sustentación y arrastre en púrpura restando el arrastre del empuje. ¡Pero espera un segundo! Ese vector púrpura es exactamente lo que llamé 'exceso de empuje': ¡empuje menos arrastre! Entonces, este vector púrpura nos da una buena indicación de cuánto empuje 'extra' estamos usando para asegurarnos de que la fuerza resultante en el avión siga siendo cero.

El término que se escucha a veces, "máximo exceso de empuje disponible" es una indicación de hasta qué punto podemos "inclinar hacia atrás" el vector de elevación azul. En el diagrama de la derecha, debería ser obvio que esto 'estira' el vector púrpura de 'empuje excesivo'. El ascenso más pronunciado se logra, por lo tanto, cuando el exceso de empuje es igual al máximo exceso de empuje disponible.

Glosario
  • Fuerza resultante: también llamada fuerza neta. La suma de todas las fuerzas que actúan sobre la aeronave.
  • Vuelo en estado estacionario: toda aceleración (en el marco de referencia de la Tierra) es cero. Es decir, vuelo nivelado, ascenso constante, descenso constante. Debido a F → = metro a → , aceleración cero significa fuerza resultante cero.

Anexo I: De los comentarios, "Un Piper Cub no puede tomar parte de su empuje y aplicarlo para sustentación". Vemos en la imagen de arriba que, lamentablemente, eso es exactamente lo que debe estar haciendo un Piper Cub para escalar. El exceso de empuje T mi requisito T mi = W pecado ⁡ β con W levantar y β el ángulo de subida. Si hay muy poco exceso de empuje disponible, será mejor que mantengamos β pequeño: ¡exactamente lo que esperarías de un pequeño cachorro!

Anexo II: a continuación, la misma imagen pero con exceso de empuje según la definición 1. Los vectores ya no son un 'triángulo cerrado' y la fuerza neta no es cero. El avión ahora está acelerando.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Imágenes creadas con IPE.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .

En un ascenso en estado estable, el empuje no es un tramo del triángulo cerrado de vectores de fuerza; más bien, (Empuje-Arrastre) lo es.

Vea el diagrama vectorial de la derecha en esta respuesta relacionada: ¿Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para un ascenso? . El diagrama muestra que si nuestra definición de "empuje excesivo" es (empuje menos arrastre), entonces claramente existe un exceso de empuje en un ascenso en estado estable.

La presente pregunta parece implicar que si volamos horizontalmente y luego aumentamos el empuje, debemos aumentar el ángulo de ataque si deseamos ascender en lugar de acelerar horizontalmente. Este no es realmente el caso, al menos a largo plazo. Si mantenemos constante el ángulo de ataque y aumentamos el empuje, tendremos una breve aceleración inicial , pero terminaremos en un ascenso constante a una velocidad aerodinámica ligeramente más baja que la inicial, al menos en el caso en que poco o ningún empuje hacia abajo está presente en relación con la dirección real de la trayectoria de vuelo en cualquier instante.

La razón de esto es que para cualquier ángulo de ataque dado, los coeficientes de sustentación y arrastre son constantes, por lo que la velocidad aerodinámica se escala de acuerdo con la raíz cuadrada del vector de sustentación, lo que también significa que la velocidad aerodinámica se escala de acuerdo con la raíz cuadrada de la resistencia aerodinámica. vector. Y sabemos que la sustentación es ligeramente menor en un ascenso en estado estacionario que en un vuelo con las alas niveladas, de acuerdo con la relación sustentación = peso * coseno (ángulo de ascenso), al menos en el caso de que no haya empuje hacia abajo o hacia arriba en relación con el dirección de la ruta de vuelo.

Tenga en cuenta la relación entre el empuje y la velocidad del aire en cualquiera de las dos tablas de la derecha en esta respuesta relacionada: ¿ Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para un ascenso? .

Las tablas de la derecha asumen que no hay empuje hacia arriba o hacia abajo, en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo. Cada tabla asume un ángulo de ataque constante de una fila a la siguiente.

(Pero los valores de velocidad aerodinámica no están destinados a ser escalados en las mismas unidades entre las dos tablas, ya que el coeficiente de sustentación no está especificado, y presumiblemente es mucho menor en la tabla superior que en la tabla inferior).

También puede encontrar útiles los diagramas vectoriales, los cálculos y las explicaciones en esta otra respuesta relacionada: ¿ Levanta el mismo peso en una escalada?

Cuando se utiliza un empuje inferior al total durante cualquier fase de vuelo en estado estable, se puede considerar que hay un exceso de empuje disponible.

La aplicación de parte o la totalidad de este exceso de empuje resultará en una alteración del estado estable, ya sea aceleración en vuelo nivelado, transición a un ascenso, mayor tasa de ascenso, menor tasa de descenso o una combinación, dependiendo de lo que el piloto quiera que haga el avión. hacer, por ejemplo, a 10 000 pies AMSL o FL100, acelerar desde 250 nudos y ascender, una vez a la velocidad de ascenso, digamos 290 nudos, mantener la velocidad y continuar ascendiendo a la velocidad de ascenso resultante basada en un ajuste fijo de "empuje de ascenso" a lo largo de esta secuencia.

Solo para aclarar, puede haber un estado estable incluso durante el ascenso y el descenso si se mantiene una velocidad constante, una velocidad constante de ascenso y un empuje constante, aunque en verdad, esta ecuación también se ve afectada por los cambios en las propiedades descritas por la atmósfera estándar.

Otra forma de ver esto es que el valor calorífico del combustible quemado al aumentar el empuje pone energía en este sistema que se utiliza para aumentar la energía cinética (velocidad) o la energía potencial (altitud) o es compartida por ambos.

En o cerca de la limitación del techo de la aeronave, entran en juego otros factores, ya que también es posible que no esté disponible mucho exceso de empuje, por lo que esa es otra historia.

Re: Cuando se usa menos del empuje total durante cualquier fase de vuelo en estado estable, se puede considerar que hay un exceso de empuje disponible". pregunta original?
El valor calorífico del combustible quemado... pone energía en el sistema, que se utiliza para un aumento en (velocidad) o (altitud), sin embargo, continúan mostrando el vector de empuje en sus diagramas. Es el efecto del empuje (verter energía) y cómo se usa el aumento de la resistencia, el aumento de la velocidad o la altitud ( aumento del AOA ). No parece que obtengas menos impulso al hacer cualquiera de esos.
@ skipper44 Me gustó tu respuesta práctica y el hecho de que mencionaste cambios en las propiedades de la atmósfera. Yo "vuelo a mi velocidad aerodinámica, no a mi acelerador" porque las cualidades aerodinámicas de los aviones dependen de la velocidad. Solo me preocupa un poco que la gente esté hablando de empuje, cuando el exceso de entrada de empuje puede no ser lo suficientemente rápido como para aumentar V si el avión se está estancando bajo y lento. El exceso de empuje se convierte en velocidad por F=ma.
@RobertDiGiovanni, el empuje proviene del motor, que a su vez funciona con combustible. Para aumentar el empuje, debe aumentar el flujo de combustible. Alcanzar y mantener una mayor velocidad o altitud depende completamente del "valor calorífico del combustible quemado al aumentar el empuje ..."
Eso es cierto, también podría derramar combustible de aviación en el suelo y encenderlo, pero eso no hará que el avión vuele (aunque tiene mucho poder calorífico). Pero ahora estamos hablando de la eficiencia del motor. El empuje solo puede acelerar el avión. Entonces, si uno es demasiado lento y no puede acelerar lo suficientemente rápido, son S C r mi w mi d .
Exactamente mi punto, a menos que el motor queme ese combustible adicional, estaría obligado a compartir la energía existente del sistema, es decir, intercambiar (disminuir) la velocidad para ganar altitud, o intercambiar (perder) la altitud para ganar velocidad. Estamos hablando de participación energética y la Ley de Conservación de la Energía. La eficiencia es una gran parte de esta ecuación, pero no es directamente relevante para esta discusión.
¿Es posible el "exceso de empuje" en un diagrama vectorial de estado estable?
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