Fuerzas en un giro deslizante [duplicado]

Tengo problemas para entender por qué la bola (en el indicador de giro y deslizamiento) cae en el giro... en un giro descoordinado (giro deslizante). ¿Cuáles son las fuerzas que intervienen en esto?

La pelota se desplaza hacia un lado porque se permite que el avión vuele lateralmente por el aire. El morro no está alineado con la dirección instantánea de la trayectoria de vuelo, sino que está inclinado para apuntar hacia la izquierda o la derecha de la dirección instantánea de la trayectoria de vuelo.

Como resultado, el flujo de aire golpea el costado de la aeronave y genera una fuerza lateral aerodinámica, que es lo que hace que la pelota se desplace hacia un lado.

Hay muchas razones por las que un avión puede tender a volar ligeramente desviado hacia la izquierda o hacia la derecha en un viraje. La mayoría de estas razones tienden a promover un desliz, en lugar de un derrape. Además de la razón más obvia de una desviación significativa e intencional del timón por parte del piloto, estas razones incluyen la naturaleza curva del viento relativo durante el vuelo de giro y sus efectos en las superficies de la cola (también descrito como "amortiguación aerodinámica"), y la hecho de que la punta del ala externa debe moverse más rápido y, por lo tanto, tiende a generar más resistencia que la punta del ala interna. En un avión con hélice, el factor P también puede jugar un papel, tendiendo a promover un resbalón o derrape dependiendo de la dirección del giro. La configuración de la compensación del timón también puede ser un factor. Cuando el ángulo de inclinación está cambiando, la guiñada adversa de los alerones desviados y del propio movimiento de balanceo juega un papel importante, con una fuerte tendencia a promover un deslizamiento cuando el ángulo de inclinación lateral aumenta y un derrape cuando el ángulo de inclinación lateral disminuye. En todos los casos, la cura es que el piloto use el timón según sea necesario para compensar estos efectos y alinear el morro de la aeronave con la dirección instantánea de la trayectoria de vuelo, de modo que el morro apunte directamente hacia el "viento relativo" y el flujo de aire no golpea el costado del fuselaje.

Tenga en cuenta que "tener muy poca o demasiada sustentación en relación con el ángulo de inclinación" o "tener muy poca o demasiada fuerza centrífuga en relación con el ángulo de inclinación" no son causas de resbalones o derrapes. Más bien, son el resultado de resbalones o derrapes. Las causas son los efectos aerodinámicos enumerados anteriormente, que crean un par de guiñada que hace que la aeronave vuele ligeramente de lado por el aire, a pesar del efecto generalmente estabilizador de la aleta vertical. Más sobre esto más adelante.

Entonces, ¿por qué la bola de deslizamiento se desplaza fuera del centro cuando el avión vuela de lado por el aire? Cuando el flujo de aire golpea el costado del fuselaje, esto genera una fuerza lateral aerodinámica, que actúa ortogonal (perpendicular) a la trayectoria de vuelo en la dirección que es aproximadamente paralela a la envergadura. Esta fuerza lateral apunta hacia la punta alta del ala en un deslizamiento, y hacia el punta de ala baja en un patín. Esta fuerza aerodinámica real se ha omitido por completo del diagrama del giro deslizante adjunto a su pregunta. Este es un defecto importante en el diagrama.

Esta fuerza lateral aerodinámica contribuye a la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave, de modo que el vector de fuerza aerodinámica neta ya no apunta directamente hacia arriba en el marco de referencia de la aeronave, es decir, paralelo a la aleta vertical.

La bola de deslizamiento siempre tiende a posicionarse en el tubo de vidrio curvo en el punto del tubo que es exactamente perpendicular al vector de fuerza aerodinámica neta. Si la bola se coloca en cualquier otro punto del tubo, "sentirá" una fuerza aparente hacia la izquierda o hacia la derecha y cambiará de posición. Si la fuerza aerodinámica neta no apunta "hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave, entonces la bola no se colocará en la "parte inferior", es decir, en el centro, del tubo de vidrio curvo.

Otra forma de ver la situación es considerar la aparente "carga" que actúa sobre la bola, debido al efecto combinado del peso y la "fuerza centrífuga". La bola siempre tiende a posicionarse en el tubo de vidrio curvo en el punto del tubo que es exactamente perpendicular al vector de "carga". Si el vector de "carga" no apunta "directamente hacia abajo" en el marco de referencia de la aeronave, entonces la bola no se colocará en la "parte inferior", es decir, en el centro, del tubo de vidrio curvo.

La clave para entender es que la "carga" aparente que siente la estructura y el contenido de la aeronave, incluidos el piloto y la bola de deslizamiento, no es más que la imagen especular del vector de fuerza aerodinámica real generada por la aeronave. Esto se explora con más detalle en varias respuestas a la pregunta ASE relacionada " Fuerzas" sentidas "por el piloto, medidor de G, inclinómetro: ¿son las fuerzas aerodinámicas generadas por la aeronave o la suma de peso + fuerza centrífuga? " .

El diagrama es engañoso porque sugiere que algún efecto misterioso, presumiblemente relacionado de alguna manera con la velocidad de giro, pero aparentemente sin relación con ninguna fuerza aerodinámica real, está afectando la cantidad de "fuerza centrífuga" generada por la aeronave o actuando sobre la aeronave. esto es falso La diferencia en la magnitud del vector de "fuerza centrífuga" entre un giro "coordinado" y un giro "deslizante" se debe a la forma en que un deslizamiento lateral genera un vector de fuerza lateral aerodinámica real, como se describió anteriormente.

Si bien es cierto que la "carga" que actúa sobre la bola puede decirse que es igual a la suma vectorial del peso y la "fuerza centrífuga", este no es un concepto que tenga mucho poder explicativo, a menos que entendamos que la "fuerza centrífuga" está íntimamente relacionada con las fuerzas aerodinámicas reales generadas por la aeronave. El vector de "carga", que se puede decir que es la suma vectorial de peso y "fuerza centrífuga", no es más que la imagen especular de la fuerza aerodinámica real generada por la aeronave. El vector de "carga" es siempre igual y opuesto al vector que representa la fuerza aerodinámica real generada por la aeronave. ¹

Un caso extremo de un giro con deslizamiento es un deslizamiento hacia adelante o un deslizamiento lateral (en realidad, son exactamente lo mismo, solo que apuntan de manera diferente en relación con el objetivo), donde la fuerza lateral aerodinámica del deslizamiento es suficiente para llevar la velocidad de giro hasta el final. cero, creando una trayectoria de vuelo lineal. Siempre que la trayectoria de vuelo sea lineal, la bola de deslizamiento se duplica como indicador de ángulo de alabeo. El caso más extremo de un deslizamiento lateral sin giro (lineal) es un vuelo de filo de cuchillo sostenido con peralte vertical, como vemos a menudo en una exhibición aérea. En este caso, el vector de fuerza lateral aerodinámica del flujo de aire que golpea el costado del fuselaje (más un componente adicional debido a que la línea de empuje del motor apunta por encima del horizonte) soporta todo el peso de la aeronave, y el vector de sustentación del ala es cero. En este caso, la "carga" es simplemente igual y opuesto al vector de fuerza lateral aerodinámica del deslizamiento (incluido el componente debido al empuje del motor), porque el vector de fuerza lateral aerodinámica y el vector de fuerza aerodinámica neta son uno y el mismo. El vector de fuerza aerodinámica neta es igual al peso de la aeronave pero actúa en dirección hacia arriba, mientras que el vector de "carga" es igual al peso de la aeronave, actuando en dirección hacia abajo.

Mientras se establece en un giro de estado estable a una velocidad de giro y velocidad constantes, ajustado para un vuelo sin intervención, si luego tiramos hacia atrás de la palanca para "cargar" el ala con sustentación "extra" para aumentar la carga G a un valor más alto de lo normal para el ángulo de alabeo, o si empujamos la palanca hacia adelante para "descargar" el ala para disminuir el vector de sustentación y dejar caer la carga G a un valor más bajo de lo normal para el ángulo de alabeo, el la velocidad de giro cambiará inmediatamente, al igual que la componente horizontal del vector de "fuerza centrífuga". El diagrama anterior podría tender a llevarnos a pensar que la pelota se desviará inmediatamente del centro. Este no es el caso.

En una situación como esta, la trayectoria de vuelo se curvará hacia arriba o hacia abajo, introduciendo un componente vertical de "fuerza centrífuga". La suma vectorial de peso y fuerza centrífuga seguirá siendo "hacia abajo" en el marco de referencia de la aeronave, y la bola permanecerá centrada.

O para verlo desde una perspectiva mucho más simple: cuando tiramos de la palanca hacia atrás o la empujamos hacia adelante para cambiar el ángulo de ataque del ala, estamos aumentando o disminuyendo la magnitud del vector de sustentación, pero no lo hacemos. introduciendo fuerzas laterales aerodinámicas, no estamos girando el fuselaje para volar de lado por el aire. Debido a que el vector de fuerza aerodinámica neta todavía actúa "directamente hacia arriba" en el propio marco de referencia de la aeronave, paralelo a la dirección en la que apunta la aleta vertical, la bola aún permanece centrada.

(Para simplificar, estamos ignorando los componentes delanteros o traseros en el vector de fuerza aerodinámica neta, los componentes que no se mostrarían en una vista frontal de la aeronave. La explicación básica aquí sigue siendo la misma independientemente de si el empuje está exactamente en equilibrio con la resistencia, o no).

Por supuesto, "cargar" o "descargar" el ala de esta manera durante un giro también generará un cambio en la velocidad aerodinámica, ya que la trayectoria de vuelo se curva hacia arriba o hacia abajo. Para una aeronave de un peso dado en un ángulo de alabeo dado, solo hay un valor del vector de sustentación (carga G) que producirá un giro de estado estable a una velocidad aerodinámica constante. ²

Al leer en línea, muchas fuentes citan que en un giro deslizante, la aeronave se inclina demasiado para la velocidad de giro.

Del contenido anterior, verá que esto no siempre es cierto. Puede ser cierto dadas ciertas limitaciones, pero no es un concepto con mucho poder explicativo.

Como se señaló anteriormente, si estamos establecidos en un giro estabilizado y luego tiramos de la palanca hacia atrás o la empujamos hacia adelante para aumentar o disminuir el vector de sustentación y la carga G, la velocidad de giro cambia inmediatamente, pero la bola no . desplazar fuera del centro. ³

La idea de que (para un viraje a una velocidad aerodinámica determinada) "en un viraje deslizante, la aeronave se inclina demasiado para la velocidad del viraje" solo es cierta dada la restricción de que no hay curvatura hacia arriba o hacia abajo (hacia el cielo o hacia la tierra) cero en la ruta de vuelo Y la única manera ⁴que (para una velocidad aerodinámica dada) podemos tener una discrepancia entre el ángulo de alabeo y la velocidad de giro, mientras no permitimos que la trayectoria de vuelo se curve hacia arriba y hacia abajo, es que estamos aplicando el timón para exponer el costado del fuselaje al flujo de aire y generar una fuerza lateral aerodinámica, o estamos fallando en aplicar el timón según sea necesario para cancelar otros pares aerodinámicos que tienden a exponer el costado del fuselaje al flujo de aire. Si hacemos esto, mientras agregamos o restamos energía según sea necesario, podemos crear las siguientes situaciones. A partir de un viraje coordinado estabilizado a una velocidad aerodinámica y altitud constantes, podemos...

a) variar la velocidad de giro y el radio de giro mientras se mantienen constantes la altitud, la velocidad aerodinámica y el ángulo de inclinación lateral

b) variar el ángulo de alabeo y manteniendo constantes la altitud, la velocidad aerodinámica y la velocidad de giro y el radio

La pelota se desviará del centro en ambas situaciones. Es igualmente cierto decir que la pelota se descentra porque el vector de fuerza centrífuga ya no coincide correctamente con el ángulo de inclinación o porque el vector de carga (la suma vectorial de la fuerza centrífuga y el peso) ya no apunta directamente "hacia abajo". en el marco de referencia de la aeronave (es decir, paralelo a la aleta vertical), o porque el vector de fuerza aerodinámica neta ya no apunta directamente "hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave (paralelo a la aleta vertical), o porque el piloto está usando el timón en una forma que expone el costado del fuselaje al flujo de aire, lo que genera una fuerza lateral aerodinámica.

El uso del timón por parte del piloto es la clave para centrar la bola de deslizamiento o para desviarla intencionalmente del centro. La fuerza lateral que "sentimos" en un deslizamiento es la fuerza aerodinámica real generada por el aire que golpea el costado del fuselaje, lo que cambia la dirección del vector de fuerza aerodinámica neta y su imagen especular, el vector de "carga". Las explicaciones centradas en algún tipo de "equilibrio" o "desequilibrio" entre el ángulo de inclinación y la velocidad de giro, o el ángulo de inclinación y la fuerza de sustentación, o el ángulo de inclinación y la carga G, son engañosas y tienen poco poder explicativo, y ciertamente no se aplican a vuelo acrobático. Estas explicaciones tienden a oscurecer, en lugar de iluminar, lo que realmente está sucediendo.

Algunos de estos tipos de explicaciones se adaptan bien a un automóvil que circula por una pista peraltada, o un trineo que desciende por una pista peraltada, pero no al vuelo, donde la trayectoria no está restringida a tener un radio de giro específico, y tampoco está restringida a no tienen curvatura hacia arriba o hacia abajo (hacia el cielo o hacia la tierra). ⁵

Tenga en cuenta que, en vuelo, en términos generales, cambiar la velocidad aerodinámica mientras se mantiene constante el ángulo de alabeo no crea ninguna tendencia a deslizarse o derrapar, aunque la velocidad de giro y el radio variarán. Mientras el vector de fuerza aerodinámica neta continúe apuntando "directamente hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave, no habrá deslizamiento ni derrape. Aunque, de nuevo, podemos encontrar situaciones artificiales específicas en las que variar la velocidad aerodinámica mientras se mantiene constante el ángulo de alabeo provoca un deslizamiento o derrape; por ejemplo, si la velocidad de giro y el radio están restringidos para permanecer constantes a medida que cambia la velocidad aerodinámica. Nuevamente, esto solo puede suceder si el piloto aplica el timón para exponer el lado del fuselaje al flujo de aire, generando una fuerza lateral aerodinámica.

Tengo problemas para entender por qué

Esto no es sorprendente, porque se le han proporcionado explicaciones defectuosas, así como diagramas defectuosos. Los diagramas adjuntos a su pregunta han omitido el vector de fuerza lateral aerodinámica causado por el flujo de aire que golpea el costado del fuselaje. Los diagramas adjuntos a su pregunta dan la impresión de que el vector de fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave es el mismo en los 3 casos (vuelo coordinado, vuelo deslizante y vuelo deslizante), cuando en realidad no lo es. Los diagramas adjuntos a su pregunta dan la impresión de que el vector de "carga" puede ser algo más que la imagen especular del vector de fuerza aerodinámica neta, cuando en realidad no puede ser otra cosa que la imagen especular del vector de fuerza aerodinámica neta.

Para leer más sobre los errores específicos en los diagramas vectoriales adjuntos a su pregunta, consulte la pregunta relacionada ¿ Qué falta en estos diagramas de fuerzas en resbalones y derrapes? y responde ¿Qué falta en estos diagramas de las fuerzas en resbalones y derrapes? .

Otras preguntas o respuestas relacionadas con ASE:

(P) Fuerzas "sentidas" por el piloto, medidor G, inclinómetro: ¿son las fuerzas aerodinámicas generadas por la aeronave o la suma de peso + fuerza centrífuga?

(A) Fuerzas "sentidas" por el piloto, medidor G, inclinómetro: ¿son las fuerzas aerodinámicas generadas por la aeronave o la suma de peso + fuerza centrífuga?

(P) ¿Qué indica realmente la bola de equilibrio?

(A) ¿Qué indica realmente la bola de equilibrio?

El tema de la precisión de los diagramas ilustrados en su pregunta también se ha discutido en Physics Stack Exchange. Ver--

(P) ¿Es correcto este diagrama vectorial de las fuerzas en juego al girar el vuelo?

(A) ¿Es correcto este diagrama vectorial de las fuerzas en juego al girar el vuelo?

notas al pie

1 -- Para simplificar, asumimos que la bola de deslizamiento-derrape está ubicada cerca del CG de la aeronave, o que la tasa de rotación de guiñada de la aeronave es constante, o ambas cosas. Un cambio en la tasa de rotación de guiñada creará una fuerza centrífuga o de inercia aparente que desplaza la bola de deslizamiento hacia un lado si está ubicada muy adelante o atrás del CG, y este desplazamiento noreflejan cualquier componente de fuerza aerodinámica real. Por ejemplo, si la tasa de rotación de guiñada aumenta hacia la izquierda, una bola de deslizamiento y derrape ubicada muy adelante del CG tenderá a desplazarse hacia la derecha, y una bola de deslizamiento y derrape ubicada muy atrás del CG tenderá a desplazarse. estar desplazado hacia la izquierda. Estos efectos de segundo orden están más allá del alcance previsto de esta respuesta, y también están más allá del alcance de lo que los pilotos generalmente pueden notar en un vuelo real.

2 -- Para simplificar, estamos pasando por alto el hecho de que la magnitud del vector de sustentación asociado con un giro coordinado de estado estable en un ángulo de alabeo particular y alguna velocidad aerodinámica y ángulo de ataque en particular es muy ligeramente diferente cuando estamos descendiendo o escalando, que cuando estamos manteniendo la altitud (respecto a la masa de aire en todos los casos). Para inmersiones y ascensos modestos, este es un efecto muy pequeño y definitivamente no es algo que deba preocupar a alguien que todavía está aprendiendo sobre los conceptos básicos de resbalones y derrapes, pero en aras de la precisión, este punto no debe omitirse por completo. Para obtener más información sobre la "descarga" del vector de sustentación en un descenso o ascenso, consulte ¿Qué produce empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador? y¿Levanta el mismo peso en una escalada?

3 -- Sorprendentemente, el libro clásico de mecánica de vuelo para pilotos de Wolfgang Langewiesche "Stick and Rudder" (1944), que contiene una gran cantidad de buen material sobre la física del vuelo con viraje, hace la afirmación (ver páginas 205, 219- 220 y 223-226) que mientras que el exceso de contrapresión en el palo no causa un resbalón o derrape, muy poca contrapresión en el palo puede causar un resbalón, con la pelota desviada hacia el lado bajo del giro, que debe ser se corrige aumentando la contrapresión en lugar de aplicar un timón interior. Esta es probablemente la única idea defectuosa en todo el libro. La tercera edición del libro "Modern Airmanship" (1966, editado por Neil Van Sickle, mayor general de la USAF) tiene un contenido similar en las páginas 308-309. En la octava edición (1999) de "Van Sickle's Modern Airmanship", editado por John F. Welch, Lewis Bjork, y Linda Bjork, este contenido se eliminó, mientras que el contenido restante sobre la física del vuelo de giro se mantuvo (página 441). Para obtener más información, incluidas citas específicas de estos libros, consultehttps://web.archive.org/web/20180905112047/http://aeroexperiments.org/critiques.shtml .

4 -- En rigor, no es exactamente cierto que el únicoLa forma en que (para una velocidad aerodinámica dada) podemos tener una discrepancia entre el ángulo de alabeo y la velocidad de giro, sin permitir que la trayectoria de vuelo se curve hacia arriba y hacia abajo, es desviar el timón hacia un lado de manera que se exponga el lado del fuselaje al flujo de aire. Pero es una buena primera aproximación. Para una visión más matizada, tenemos que considerar el efecto de la fuerza lateral generada por el propio timón. Por ejemplo, podríamos apagar un motor en un bimotor de pistón convencional y aplicar el timón lo suficiente para mantener el fuselaje exactamente alineado con el flujo de aire. Dado que la fuerza lateral del propio timón no es cero, la bola se desviará ligeramente (hacia el motor en funcionamiento) cuando el morro del avión apunte directamente hacia el viento relativo. Si nos inclinamos hacia el motor bueno según sea necesario para cancelar toda tendencia a girar,aquí , aquí y aquí (se agregará un enlace).

5 -- Hablando de bobslebs en pistas curvas, "Hang Gliding Training Manual" y "Performance Flying" de Dennis Pagen incluyen contenido extenso, incluida una ilustración de un trineo en una pista, que pretende mostrar cómo, cuando un piloto entra un giro mientras vuela un ala delta, si él o ella no "carga" inmediatamente el ala con una entrada de cabeceo adecuada, el planeador se deslizará lateralmente por el aire, hacia la punta baja del ala. También la idea de que una reducción intencional del ángulo de ataque y la elevación y la carga G durante el giro harán que el planeador se deslice lateralmente por el aire hacia la punta del ala baja. Consulte, por ejemplo, las páginas 128-129 del "Manual de entrenamiento de ala delta" y la página 45 de "Vuelo de alto rendimiento". Una idea similar aparece en la página 70 de "Hang Gliding for Beginner Pilots" de Peter Cheney. (3ª edición, 1997). He comprobado estas ideas en vuelo con una cuerda de guiñada, tanto en alas delta como en aeronaves convencionales, y no he encontrado ninguna base para ellas. Para obtener más información sobre el contenido de estos libros, consultehttps://web.archive.org/web/20180905112047/http://aeroexperiments.org/critiques.shtml .

Debido a la velocidad y el tirón insuficientes para el ángulo de inclinación lateral de la aeronave. Para giros nivelados, debe elevarse, no inclinarse, pero primero debe inclinarse algunos grados y tener la velocidad suficiente para mantener la G requerida para el ángulo de inclinación lateral. por debajo de las G necesarias para el ángulo de alabeo, el morro de la aeronave se hundirá; si tira de más G, el morro se elevará por encima de la línea horizontal. Ahora hay dos tipos de giros derrapantes (dentro del giro o desviado fuera del giro)