Estabilidad del cohete durante el vuelo; ¿Por qué la fuerza de sustentación cambia de dirección cuando se mueve el centro de presión?

Actualmente estoy aprendiendo sobre las aletas y el papel que juegan en la estabilidad de un cohete durante el vuelo. Me encontré con un problema relativamente menor.

Aquí está uno de los recursos que estoy mirando: http://www.nakka-rocketry.net/fins.html

Mi pregunta es, ¿por qué la fuerza de sustentación cambia de dirección cuando el centro de presión está ubicado sobre el centro de gravedad? Disculpas si es una mala pregunta, pero no he cubierto nada relacionado con levantar o arrastrar en mucho tiempo.

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En la Fig. 1A , se muestra el cohete durante el vuelo propulsado. Este es un estado ideal, con todas las fuerzas actuando a través del CG y sin fuerzas externas (perturbadoras) presentes. El cohete es estable y acelera con movimiento exclusivamente lineal a lo largo de la línea de empuje.

En la Fig. 1B , se introduce una fuerza perturbadora, en este ejemplo, la fuerza debida a una ráfaga de viento. La resultante de esta fuerza de presión actúa a través del CP, haciendo que el cohete gire alrededor de su CG, cambiando ligeramente el ángulo de ataque (alfa).

Este cambio en el ángulo de ataque genera inmediatamente una fuerza de sustentación, que actúa como se muestra (normal al cuerpo) a través del CP. Esta fuerza equilibra la fuerza debida al viento, y el cohete permanece estable, con su trayectoria de vuelo ligeramente alterada.

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La figura 2A ilustra un cohete con las ubicaciones de CP y CG invertidas, es decir, el CP está delante del CG. Este es un escenario indeseable. En esta figura, el cohete es inicialmente estable, estando en la misma situación ideal que en la Fig. 1A, sin fuerzas perturbadoras presentes. A lo largo viene una fuerza perturbadora, nuevamente una ráfaga de viento, como se ilustra en la Fig. 2B . La fuerza del viento actúa con su resultante a través del CP, generando nuevamente una ligera rotación y el consiguiente cambio en el ángulo de ataque. Nuevamente, se genera una fuerza de sustentación debido al cambio en el ángulo de ataque, pero esta vez la fuerza de sustentación actúa en la misma dirección que la fuerza del viento.La consecuencia de esto es una rotación descontrolada del cohete alrededor de su centro de gravedad, como se muestra. El cohete se vuelve inestable, es decir, su trayectoria de vuelo ya no es un movimiento lineal, sino que se introduce un movimiento de rotación. El cohete intenta dar la vuelta y volar hacia atrás. La fuerza de empuje del motor no permite esto, por supuesto, por lo que el cohete se sale de control.

Respuestas (3)

Para el ejemplo dado en ese enlace, la dirección de la fuerza de sustentación cambia porque el ángulo de ataque se invierte entre los dos casos. Fuente

Tenga en cuenta que el viento perturbador en ambos casos proviene de la derecha. El cohete estable tiende a girar hacia la derecha (hacia el viento), el cohete inestable tiende a girar hacia la izquierda (con el viento).

¡Gracias! ¿Algún recurso recomendado para aprender más sobre aletas/narices?
Gran tema, pero podría comenzar aquí: cohetes4escuelas.org/images/Forces.Model.Rocket.pdf

Tenga en cuenta que en ambos casos el cohete no se mueve a lo largo de su eje, sino que viaja directamente hacia arriba en el diagrama. Eso es lo que significan las líneas divergentes etiquetadas con el ángulo de ataque.

Eso, a su vez, provoca una sustentación aerodinámica, similar a la sustentación de un ala o una mano en ángulo en una corriente de aire.

Este "levantamiento" no es lo mismo que el empuje del motor, que es la fuerza dominante que "levanta" el cohete. Más bien, es un empujón lateral en el cuerpo del cohete.

Piense en el centro de gravedad (CG) como un punto de pivote o punto de apoyo en una palanca equilibrada. Si se aplica una fuerza lejos del CG, hará que el cohete gire alrededor del CG. En particular, la sustentación y otras fuerzas perturbadoras (p. ej., el viento) siempre actuarán en el centro de presión (CP), que puede estar y, a menudo, está ubicado lejos del CG.

La pregunta principal abordada en el enlace es: ¿cómo responderá naturalmente el cohete a un viento perturbador proveniente del lado derecho del cohete con el CP por delante (proa) o detrás (popa) del CG?

En el caso estable, la fuerza de perturbación del viento empuja el cohete hacia la izquierda en el punto CP detrás del CG. Recuerde que el CG es el punto picot, por lo que todas las rotaciones serán alrededor del CG. Esto hace que el cohete gire ligeramente en el sentido de las agujas del reloj, lo que hace que se desvíe ligeramente de su dirección de velocidad vertical y, por lo tanto, le da un pequeño ángulo de ataque. Afortunadamente, este ángulo de ataque también produce una fuerza de sustentación que actúa en la dirección opuesta (hacia la derecha). Entonces, con el CP detrás del CG, el cohete naturalmente trata de contrarrestar el viento perturbador con la sustentación apuntando en la dirección opuesta.

Si el caso es inestable, analizamos la misma fuerza de perturbación apuntando en la misma dirección hacia la izquierda. Pero ahora el CP está por delante (proa) del CG. Entonces, cuando el viento empuja en ese punto, gira el cohete en sentido antihorario (el punto de pivote sigue siendo el CG). Esto crea un ángulo de ataque en la dirección opuesta, creando una fuerza de sustentación que también apunta en la dirección hacia la izquierda. Tanto con la perturbación del viento como con levante apuntando en la misma dirección, no hay nada que detenga la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj y el cohete girará fuera de control.

Estabilidad del cohete durante el vuelo; ¿Por qué la fuerza de sustentación cambia de dirección cuando se mueve el centro de presión?
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