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

La respuesta se encuentra en un desglose del término aerodinámica. Puede ser obvio, pero lo diré de todos modos: "Aero" es la palabra latina para aire.

Entonces, ¿es posible que el cuerpo humano perciba una fuerza aerodinámica? Absolutamente. Apoyarse en un viento huracanado, sacar la mano por la ventanilla del coche, saltar en paracaídas, incluso la sensación de una ligera brisa en la cara son ejemplos de sentir una fuerza aerodinámica.

Sin embargo, en ausencia de contacto directo con el aire exterior, otras fuerzas percibidas en un vehículo en movimiento no son (por definición) aerodinámicas. Cuando estás en un avión (o automóvil, o tren...) no sientes directamente la fuerza aerodinámica, aparte de las rejillas de ventilación. Está efectivamente sellado y protegido de las fuerzas externas que actúan sobre el fuselaje.

Es por eso que puedes caminar por el pasillo de un avión para usar el baño sin luchar contra 500 nudos de arrastre.

La gravedad es la fuerza primaria percibida por el cuerpo humano con la que estamos más familiarizados. En un objeto en movimiento, se puede percibir una fuerza adicional cuando se cambia la dirección del viaje. Lo que estás sintiendo es que tu impulso está siendo restringido. Esto se llama fuerza centrífuga, y cualquiera que haya viajado en automóvil la ha sentido al doblar una esquina.

Muchos dirían que la fuerza centrífuga no es una fuerza "real". Desde el punto de vista de la ingeniería, acepto esto y no voy a discutir ese punto aquí. Pero es fácil de percibir, demostrable y ofrece la mejor explicación de la fuerza G para el profano.

Y es lo suficientemente real: es lo suficientemente real como para mantener el agua dentro del balde que balanceas sobre tu cabeza. Es lo suficientemente real como para mantener su cuerpo clavado a la pared cuando el piso se cae en el paseo giratorio Gravitron en la feria del condado. Es lo suficientemente real como para ser percibido erróneamente como gravedad (vertical) en un giro poco profundo cuando las señales visuales están ausentes. Y es lo suficientemente real como para hacer que el piloto de combate o acrobático se desmaye a 7 Gs si no se utilizan contramedidas.

Si mejora su comprensión de las fuerzas "reales" para negar la fuerza centrífuga con fines de cálculo, ignore mi explicación. Pero si está tratando de relacionar lo que sienten los pilotos en el avión con experiencias cotidianas más comunes, entonces tal vez esta respuesta ofrezca algo de claridad simple.

En resumen, las fuerzas aerodinámicas que genera la aeronave producen la fuerza centrífuga que, sumada a la gravedad terrestre, experimenta el cuerpo.

¿Puede más de una de estas cosas ser verdad al mismo tiempo?

Sí. Es sólo una cuestión del punto de vista o, más precisamente, del sistema de referencia.

Considere primero un caso trivial: el avión se sienta en el suelo, con el motor apagado. El piloto sentirá su peso presionando el asiento incluso en ausencia de fuerzas aerodinámicas. Lo que siente es la gravedad, y la fuerza es el producto de su masa y la aceleración gravitacional.

Ahora haz lo mismo con el avión volando en vuelo nivelado. Las fuerzas que actúan sobre el piloto siguen siendo las mismas, por lo que vuelve a sentir la gravedad. Solo que ahora el avión no está sostenido por su tren de aterrizaje y el suelo, sino por la sustentación del ala ( y el suelo nuevamente ).

Siguiente paso: el piloto vuela en picado, seguido de un pull-up de 2 g, lo que significa que el medidor de g marca 2 g. Nuevamente observamos el momento en que el avión está nivelado, pero ahora vuela en una trayectoria de vuelo curva. Esto agrega una carga centrífuga de 1 g al 1 g de gravedad y el piloto siente el doble de la fuerza del peso que sentía antes. Los quisquillosos ahora dirán que esto no es peso, porque el peso es el producto de la masa y la aceleración gravitatoria, pero a nuestro piloto no le importa menos en este momento. Le duele en las nalgas, eso es lo que cuenta.

Y ni el g-meter ni el piloto pudieron diferenciar la gravedad de la fuerza centrífuga: todos sienten lo mismo y solo la suma de todos se siente como una sola sensación.

Ahora cambie los sistemas de referencia y observe el flujo alrededor del ala. La velocidad y el ángulo de ataque se combinan para producir una fuerza de sustentación del doble del peso que tenía la aeronave en vuelo nivelado. Esto es aerodinámica pura, sin gravedad o carga centrífuga involucrada. Estrictamente hablando, la fuerza aerodinámica en el ala es incluso un poco más alta para compensar la mayor carga aerodinámica de la cola resultante del ajuste para superar la amortiguación de cabeceo. Mirando el avión completo como un objeto, su fuerza de sustentación total ahora es el doble que en un vuelo nivelado.

Esta fuerza se transmite al asiento del piloto y al panel de instrumentos y se siente allí como una resistencia contra la aceleración. Dependiendo de su punto de vista, el piloto es acelerado hacia su asiento o el asiento empuja contra el piloto. Actio es igual a reactio.

Siguiente cambio: la misma trayectoria de vuelo curva, pero ahora en el momento en que la aeronave está invertida. Ahora la aceleración centrífuga y gravitatoria se anulan entre sí, el g-metro marca cero y el piloto se siente ingrávido. Para hacerlo, los pilotos deben empujar la palanca hacia adelante y reducir la sustentación del ala a aproximadamente cero, o la sustentación del ala empujaría la aeronave hacia abajo. En este momento no tenemos ninguna contribución aerodinámica a las fuerzas verticales que sienten tanto el piloto como el g-metro.

Ahora el piloto empuja la palanca aún más hacia adelante para que su trayectoria de vuelo vuelva a ser recta y nivelada, solo que con la aeronave en posición invertida. El g-metro ahora indica -1 g, la fuerza del arnés que presiona los hombros del piloto es nuevamente su peso multiplicado por la aceleración gravitatoria, pero lo que permite que el arnés sostenga al piloto es la sustentación del ala a la que está unido el arnés. Cambia tu sistema de referencia, y es de nuevo la aerodinámica lo que siente el piloto. Déjalo mover la palanca y el cambio en la aerodinámica se siente inmediatamente en sus hombros.

Es la aceleración del objeto lateralmente debido a un cambio de una trayectoria recta a una curva. Estás solo para el viaje. Si estás haciendo girar una pelota alrededor de una cuerda en un plano vertical, creo que podrías verlo como el vector de elevación que es la cuerda. A medida que la pelota pasa por la parte inferior del arco, tiene una fuerza centrífuga (la pelota se ve obligada a moverse en un arco) más la gravedad que aplica tensión en la cuerda; la cuerda, o la fuerza de elevación, está sujeta al peso de la bola más la fuerza centrífuga impuesta al moverse en una trayectoria arqueada. Tanto el avión como usted como piloto sienten su peso más el aumento de su peso debido a la aceleración creada por mi movimiento en un arco, cuando estoy en la parte inferior del bucle, y sienten (y la estructura del avión está sujeta),

Y en la parte superior, es la fuerza centrífuga MENOS la gravedad. En la cuerda/bola que gira, si la rotación es demasiado lenta, la fuerza centrífuga se vuelve menor que la gravedad, la cuerda se afloja y la bola cae. En el avión, si la rotación es demasiado lenta, o no mantienes el arco correcto con el elevador, vas a cero G, las alas no se levantan en absoluto (cuerda floja) y pueden caerse por la parte superior. del bucle si intentas hacer que el ala vuele invertida para mantener el arco del bucle (así es como los pilotos hacen giros invertidos), o como mínimo tu bucle adquiere forma de D y los jueces te marcan hacia abajo o la multitud del espectáculo aéreo te abuchea.

Entonces, lo que siente el piloto es la gravedad, más o menos la aceleración creada al moverse en una trayectoria no lineal. En la parte inferior de un bucle, la gravedad aparente está debajo, pero aumentada. En la parte superior del bucle, la gravedad aparente está por encima, porque la aceleración lateral impuesta por el movimiento de arco es mayor que la gravedad (en la parte superior de un bucle normalmente se siente entre un cuarto y medio G porque la aceleración centrífuga es de aproximadamente 1,2-1,5 G total; si apenas llega a la cima y termina con solo 1 G de aceleración centrífuga, la gravedad lo cancela por completo y se sentirá ingrávido y estará justo al borde de caerse; es mejor no empujar, especialmente si usted no tienen un sistema invertido de combustible y aceite).

Al derrapar, es solo la misma aceleración aplicada lateralmente, que se suma a la gravedad para proporcionar una nueva gravedad "aparente". Haga girar la pelota en la cuerda horizontalmente, pero lentamente, de modo que el movimiento de la cuerda describa un cono. El ángulo de la cuerda es la gravedad "aparente" que siente la pelota, y también es lo que percibes como "hacia abajo" cuando patinas en un avión. Inclinar el avión en un ángulo apropiado para la tasa de cambio de dirección, y ahora la gravedad aparente está alineada con el eje vertical del avión y el vaso de agua en el panel de instrumentos se encuentra nivelado con el panel como si estuviera estacionario y todo está bien. con el mundo

La suma de las fuerzas de inercia en la estructura del cuerpo de la aeronave es de igual magnitud y dirección opuesta a la suma de todas las fuerzas externas (que para las aeronaves significa fuerzas aerodinámicas y empuje) que actúan sobre la aeronave.

• Por la segunda ley del movimiento,$a = \frac{F}{m}$. Dado que la aeronave no está acelerando en un marco de referencia unido a sí mismo, las fuerzas externas e inerciales deben equilibrarse en él. Actúan como un par de acción y reacción con respecto a objetos dentro de la aeronave como la bola de deslizamiento o el piloto.
• Según la relatividad general, la gravedad es localmente indistinguible de la aceleración del marco de referencia y se comporta como una fuerza de inercia a todos los efectos. Por lo tanto, las fuerzas externas significan solo las fuerzas aerodinámicas y el empuje (el empuje de la hélice se puede incluir en las fuerzas aerodinámicas, pero el empuje del cohete no debería serlo y para el empuje del chorro no está claro).

Así que decir que sientes las fuerzas aerodinámicas o que sientes la gravedad y las fuerzas centrífugas es igualmente válido y solo es una cuestión de punto de vista.

Las únicas fuerzas que siente un piloto son las fuerzas aerodinámicas de la presión de la atmósfera sobre la superficie de la aeronave y el empuje de los motores. Contrariamente a los conceptos generalmente aceptados, la Gravedad no es una “fuerza”. Es solo una construcción artificial que usamos para hacer que las matemáticas funcionen porque generalmente estamos midiendo el movimiento de las cosas (como un avión), en un marco de referencia acelerado (FOR). De hecho, si la aeronave estuviera en caída libre (AOA cero y sustentación cero), entonces el piloto sentiría solo la fuerza de los motores y la fuerza de arrastre de la forma aerodinámica. Cuando está en vuelo "nivelado", el piloto siente una "G" adicional de fuerza empujando su trasero porque la estructura del avión está generando sustentación adicional (una fuerza aerodinámica perpendicular al vector de trayectoria de vuelo y la tierra) suficiente para mantener una altitud constante. En un turno, el piloto no siente la fuerza "Centrífuga". La fuerza "centrífuga" es otra construcción artificial o "fuerza ficticia" que usamos debido a que medimos cosas en FOR no inerciales (aceleradas). Un FOR giratorio es un FOR acelerado. Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). La fuerza "centrífuga" es otra construcción artificial o "fuerza ficticia" que usamos debido a que medimos cosas en FOR no inerciales (aceleradas). Un FOR giratorio es un FOR acelerado. Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). La fuerza "centrífuga" es otra construcción artificial o "fuerza ficticia" que usamos debido a que medimos cosas en FOR no inerciales (aceleradas). Un FOR giratorio es un FOR acelerado. Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). usamos debido a la medición de cosas en FORs no inerciales (acelerados). Un FOR giratorio es un FOR acelerado. Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). usamos debido a la medición de cosas en FORs no inerciales (acelerados). Un FOR giratorio es un FOR acelerado. Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). Lo que el piloto siente es la fuerza aerodinámica adicional en la estructura del avión necesaria para girar la aeronave (cambiar su dirección de movimiento). no sentirá ninguna fuerza adicional. Explicar esto recurriendo a la fuerza "Centrífuga", y luego pensar en ella como equilibrando alguna otra fuerza "Centrípeta" ficticia, solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). y luego pensar en ello como equilibrando alguna otra fuerza "centrípeta" ficticia solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor). y luego pensar en ello como equilibrando alguna otra fuerza "centrípeta" ficticia solo agrega una complejidad innecesaria. Todas las fuerzas que siente se deben a las fuerzas aerodinámicas que empujan la superficie del fuselaje (y el motor).

De hecho, si lees un poco sobre la Gravedad, aprenderás que la teoría de la Gravedad de Newton, donde se representa como una "fuerza", aunque genera respuestas casi correctas en el 99,999% de los casos que conocemos, es de hecho absolutamente equivocado Einstein mostró, y probó, que la gravedad es el efecto de la masa que distorsiona la curvatura del espacio-tiempo, de tal manera que hace que todo lo que viaja en relación con un marco de referencia inercial (no acelerado) "parezca" viajar en un camino curvo

En el FOR de la tierra, "lo que te queda es la gravedad". Pero NO sientes esto. Lo que sientes es la fuerza de la sustentación en las alas. La "gravedad" es el resultado del tensor de traducción de cuadros que usaría para traducir las respuestas derivadas de un FOR a otro FOR cuando los dos FOR en cuestión se aceleran entre sí. Para equilibrar las cosas, debe aplicar un artificial o ficticio. "fuerza", (que no se siente ), para equilibrar las cosas. Eche un vistazo a Inertial_frame_of_reference . En particular, mire el tercer párrafo, a saber:

En un marco de referencia no inercial en física clásica y relatividad especial, la física de un sistema varía dependiendo de la aceleración de ese marco con respecto a un marco inercial, y las fuerzas físicas habituales deben complementarse con fuerzas ficticias.
* Mis cursivas *

y la ultima frase:

Otro ejemplo de tal fuerza ficticia asociada con marcos de referencia giratorios es el efecto centrífugo o fuerza centrífuga.

Una de las mejores representaciones de este concepto está en un libro sobre Gravitación y muestra cómo las trayectorias de una pelota de béisbol lanzada, una bala y un rayo de luz, viajando de un punto a otro, tendrán exactamente la misma curvatura cuando se representan gráficamente en el espacio. -tiempo, (en un marco de referencia acelerado de una G), a diferencia de su camino en el espacio tridimensional ordinario. Si todos estos estuvieran graficados en un marco de referencia de gravedad cero (inercial) (caída libre), todos parecerían estar viajando en una línea absolutamente recta.

Línea de fondo. Todas las complejidades y "fuerzas" artificiales ficticias que usamos para explicar las fuerzas que actúan sobre los objetos en movimiento solo son necesarias porque estamos midiendo el movimiento en algún marco de referencia lineal o rotacionalmente acelerado. ¡Necesitamos encontrar "fuerzas" falsas adicionales como la gravedad y la fuerza centrífuga para explicar las cosas porque estamos tratando de medir la aceleración en un marco de referencia (la tierra) que YA ESTÁ ACELERANDO! Las únicas fuerzas reales que actúan sobre la aeronave son la fuerza del aire que la empuja (fuerzas aerodinámicas) y el empuje de los motores.

A lo largo de esta respuesta, usaremos "sentir" o "sentir" para referirse a la fuerza o aceleración que percibe el piloto y se transmite a través de la estructura de la aeronave como tensiones o tensiones. En una situación "sin peso", la fuerza o aceleración neta no es cero, pero la fuerza o aceleración "sentida" es cero.

Es válido argumentar que la fuerza o aceleración "sentida" por el piloto y registrada por los instrumentos en vuelo es simplemente la fuerza aerodinámica neta o la aceleración generada por la aeronave. Para obtener la fuerza neta real que actúa sobre el avión, debemos sumar la gravedad a las fuerzas aerodinámicas. En otras palabras, la fuerza o aceleración "sentida" es la fuerza o aceleración neta que actúa sobre la aeronave, menos la fuerza o aceleración debida a la gravedad.

Ejemplos--

1) Vuelo vertical recto y nivelado: aceleración neta cero, fuerza neta cero, aceleración "sentida" 1-G en dirección hacia arriba, la fuerza "sentida" por el piloto es simplemente igual a su peso, actuando en dirección hacia arriba. Esta fuerza es la fuerza de sustentación aerodinámica generada por las alas, transferida a través de la estructura del avión a la parte inferior del asiento y luego al cuerpo del piloto.

2) Aeronave invertida en la parte superior de un bucle: nuevamente, la aceleración y la fuerza "sentida" por el piloto son simplemente el resultado de la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave. Si las alas generan sustentación positiva, el piloto y el medidor de G sentirán G positivas, y si las alas generan sustentación negativa, el piloto y el medidor de G sentirán G negativas. Si las alas generan cero sustentación, el piloto y el medidor de G sentirán cero G (ingravidez).

3) Giro coordinado en estado estable: la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave es simplemente el vector de sustentación del ala, que no contiene componente lateral (hacia los lados) en el marco de referencia de la aeronave. La bola antideslizante está centrada. Mientras tanto, la fuerza neta, incluida la gravedad, es el vector de fuerza puramente horizontal, el vector de fuerza centrípeta, que impulsa el giro. Este vector de fuerza tiene un componente lateral (hacia un lado) en el marco de referencia de la aeronave, pero la bola de deslizamiento está centrada.

4) Viraje con cierto deslizamiento lateral: se permite que el morro de la aeronave apunte hacia el exterior del viraje. El flujo de aire impacta el costado del fuselaje y genera una fuerza lateral aerodinámica. Ahora, la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave sí incluye un componente lateral (hacia los lados), por lo que la bola de deslizamiento-derrape se desplaza hacia el interior del giro y el cuerpo del piloto tiende a inclinarse hacia la pared de la cabina que está en el interior. del turno

Sin embargo, si tomamos nuestro avión y lo atornillamos a una montaña rusa y lo hacemos pasar por bucles, curvas planas, etc., el piloto aún "siente" fuerzas aparentes, y el medidor de G y el inclinómetro aún dan indicaciones. ¿Qué está causando estas fuerzas aparentes? (Suponga por simplicidad que la montaña rusa está en el vacío).

Podemos decir que estas fuerzas aparentes se deben enteramente a las fuerzas ejercidas por los rieles de la montaña rusa sobre las ruedas de la montaña rusa, sin que la gravedad juegue ningún papel. Esto es análogo a decir que las fuerzas "sentidas" en vuelo se deben por completo a las fuerzas aerodinámicas creadas por la aeronave, sin que la gravedad desempeñe un papel directo.

Sin embargo, también podemos decir que estas fuerzas aparentes se deben enteramente a los efectos combinados de la gravedad y de la "fuerza centrífuga". Obviamente, si no comenzamos un ciclo en la montaña rusa con la velocidad suficiente para mantener G positivas en todo el recorrido, nos colgaremos boca abajo de los cinturones de seguridad cuando pasemos por la parte superior.

La clave para reconciliar estos puntos de vista es comprender exactamente qué es la "fuerza centrífuga". Es la fuerza aparente creada por una curvatura en la trayectoria de un vehículo. No es una fuerza real. Es básicamente solo la imagen del espejo.de las fuerzas reales que actúan para curvar la trayectoria de un vehículo. Para (casi) cada fuerza centrípeta que actúa para generar una curvatura en la trayectoria de un vehículo, podemos decir que los ocupantes "sienten" una aparente "fuerza centrífuga" que actúa en la otra dirección. Cuando hacemos un giro a alta velocidad hacia la izquierda en un automóvil en terreno llano, las llantas generan una fuerza real hacia la izquierda, y decimos que percibimos una fuerza centrífuga hacia la derecha, y son lanzadas contra la pared derecha del interior. del carro. Si queremos entender en qué dirección se desviaría una bola de deslizamiento, podríamos considerar la fuerza centrípeta real de los neumáticos o la "fuerza centrífuga" aparente generada por la velocidad de giro resultante, pero no ambas. Si consideramos ambas fuerzas, terminamos con una fuerza neta cero, se cancelarían entre sí, prediciendo que la bola de deslizamiento no se desviaría en absoluto. Esto estaría mal. No podemos mezclar y combinar la "fuerza centrífuga aparente" con la fuerza centrípeta real. Tenemos que usar uno u otro.

En este contexto, no estamos usando "aparente" para significar "el componente sentido de". Solo estamos usando "aparente" para recordarnos que la "fuerza centrífuga" en realidad no existe.

Dijimos que "Para (casi) cada fuerza centrípeta que actúa para impulsar una curvatura, podemos decir que los ocupantes 'sienten' una 'fuerza centrífuga' que actúa en la otra dirección". ¿Por qué "casi"? Porque no podemos "sentir" ninguna fuerza centrífuga causada por una curvatura en la trayectoria de un vehículo que se debe a la gravedad. (Considere las fuerzas que siente un astronauta en órbita).

¿Por qué la gravedad es una fuerza tan especial? Las fuerzas de las alas y las fuerzas de las ruedas deben transmitirse a través de la estructura de la aeronave y al exterior del cuerpo del piloto. Como resultado, se crean tensiones y tensiones en la estructura de la aeronave y en el cuerpo del piloto. Por el contrario, la gravedad ejerce una aceleración igual por unidad de masa en cada molécula de la estructura del avión y en cada molécula del cuerpo del piloto, sin crear tensiones ni tensiones, es decir, sin desplazamiento de una parte de la estructura o del cuerpo con respecto a otra parte. Del mismo modo, a menos que consideremos que la carcasa exterior de la bola deslizante o del medidor de G está rígidamente fijada en el espacio, la gravedad no tiene tendencia a desplazar ningún elemento de ninguno de esos instrumentos en relación con ningún otro elemento. Por ejemplo, la gravedad no tiene tendencia a tirar de la bola del inclinómetro hacia un lado dentro del tubo de vidrio, incluso si el tubo está inclinado con respecto a la tierra. (¡Suponemos que nuestro instrumento es mucho más pequeño que la escala planetaria, por lo que los efectos de las mareas pueden ignorarse con seguridad!)

Hemos definido "fuerza centrífuga" como una fuerza aparente que es la imagen especular de la fuerza centrípeta neta que actúa para conducir una curva en la trayectoria de un vehículo. Si la fuerza de la gravedad no se "siente", ¿cuál es el componente "sentido" de esa aparente fuerza "centrífuga"?

Dado que la gravedad ya está "incorporada" a la fuerza centrípeta neta que determina la trayectoria de un vehículo, se deduce que una fuerza ascendente aparente opuesta a la gravedad ya está "incorporada" a la fuerza "centrífuga" aparente que se combina con esa fuerza centrípeta. Esto significa que la fuerza centrífuga "sentida" es igual a la fuerza centrífuga total más la gravedad. Así como la fuerza centrípeta "sentida" es igual a la fuerza centrípeta total menos la gravedad.

(Nota: en realidad, solo el componente de la gravedad que actúa perpendicular a la trayectoria de vuelo está "incorporado" al vector de fuerza centrípeta. Para simplificar, en la discusión de la "fuerza centrípeta" en esta respuesta, supondremos que estamos mirando la trayectoria del vehículo en un punto donde la trayectoria es exactamente horizontal en lugar de subir o bajar, y por lo tanto el vector de peso completo actúa perpendicular a la trayectoria de vuelo. Alternativamente, podríamos pensar en términos de una suma vectorial tridimensional en lugar de uno bidimensional.)

El punto clave aquí no es discutir si la "fuerza centrífuga" realmente existe o no. Más bien, la clave aquí es reconocer que estamos comenzando desde una situación en la que se conoce la trayectoria exacta, y luego estamos calculando la fuerza centrípeta (o centrífuga) que está involucrada en la creación de esta trayectoria, y luego estamos restando (o agregando) gravedad para obtener el componente "sentido" de esa fuerza centrípeta (o centrífuga).

En esencia, "fuerza centrípeta" es solo otra forma de decir "fuerza neta", excepto que estamos descartando componentes que actúan tangencialmente en lugar de perpendicularmente a la trayectoria de vuelo. En el contexto del vuelo, las fuerzas aerodinámicas y la fuerza de la gravedad están integradas en el concepto de "fuerza centrípeta". La "fuerza centrífuga" es una fuerza aparente o pseudofuerza que es igual y opuesta a la "fuerza centrípeta" real.

En el caso de una montaña rusa, la componente "sentida" de la fuerza centrípeta sería la fuerza ejercida por las pistas sobre las ruedas, y la componente "sentida" de la fuerza centrífuga sería igual y opuesta. En el caso de una aeronave, la componente "sentida" de la fuerza centrípeta sería la fuerza aerodinámica creada por la aeronave, y la componente "sentida" de la fuerza centrífuga sería igual y opuesta. Si queremos decir que el piloto, el medidor de G y el inclinómetro están respondiendo al componente "sentido" de la fuerza centrípeta o al componente "sentido" de la fuerza centrífuga es realmente solo una cuestión de convención, pero solo el primero realmente existe

Así que estas tres cosas son ciertas:

1) Fuerza "sentida" = fuerza aerodinámica = fuerza neta menos gravedad

Y

2) Fuerza "sentida" = fuerza centrípeta neta menos gravedad

Y

3) Carga "sentida" (la sensación de peso aparente debido a que es acelerado por una fuerza) = (fuerza "centrífuga" neta más la gravedad) / masa

Estamos tomando la convención aquí de que la "carga" sentida actúa en la dirección opuesta a la "fuerza" sentida o la "aceleración" sentida, al igual que la fuerza "centrífuga" aparente actúa en la dirección opuesta a la fuerza centrípeta real.

Si queremos trabajar en términos de fuerzas "centrípetas" o "centrífugas" es realmente solo una cuestión de convención. Sólo las fuerzas "centrípetas" son realmente reales. Para obtener el componente "sentido", restamos la gravedad en el primer caso y sumamos la gravedad en el último caso. Debido a la forma en que la gravedad en realidad no se puede "sentir", sin embargo, ya está "incorporada" a las fuerzas centrípetas y "centrífugas".

Tenga en cuenta también que al especificar "centrípeta" (o "centrífuga"), estamos diciendo que estamos limitando los componentes de fuerza y ​​aceleración de interés a aquellos que actúan perpendiculares (ortogonales) a la trayectoria de vuelo, y descartando aquellos que actúan en paralelo (tangentes). ) a la ruta de vuelo. La primera ecuación en la lista de tres anteriores no tiene esa restricción.

A menudo, uno ve diagramas en los manuales de entrenamiento de vuelo que intentan tratar la "fuerza centrífuga" como solo un componente de varias fuerzas que actúan para curvar la trayectoria de vuelo. Se han publicado muchos diagramas, incluso por la FAA, que ilustran la desviación de la bola de deslizamiento-patinaje en un vuelo de giro debido a un equilibrio de fuerza entre "fuerza centrífuga" y "gravedad" y sustentación, o entre "fuerza centrífuga "y levante. (Curiosamente, la fuerza lateral aerodinámica real causada por el fuselaje que vuela de lado a través del aire se omite invariablemente). levantar en la imagen también? Pero este enfoque simplemente no funciona. El efecto del vector de sustentación ya está incluido en el vector de fuerza centrífuga. Para explicar las fuerzas "sentidas" en un giro coordinado o no coordinado, necesitamos trabajar en términos de las fuerzas aerodinámicas reales, o necesitamos trabajar en términos del equilibrio entre la "fuerza centrífuga" y la gravedad, que es esencialmente lo mismo que trabajando en términos del equilibrio entre la fuerza centrípeta y la gravedad. Un diagrama que combina la gravedad, la fuerza centrífuga,y el ascensor simplemente no puede retener el agua.

Si la trayectoria de vuelo está completamente restringida, entonces el enfoque de "fuerza centrífuga más gravedad" (o "fuerza centrípeta menos gravedad") funciona bien. Por ejemplo, si se sabe que la trayectoria de vuelo es lineal, entonces se sabe que la fuerza centrífuga es cero, y la bola de deslizamiento funciona como un nivel de burbuja, indicándonos en qué dirección está abajo.

Pero en muchas situaciones, la trayectoria de vuelo no está restringida a ser lineal. Además, a diferencia del caso de la montaña rusa, el radio de giro puede variar libremente a medida que varía la fuerza de sustentación, y la trayectoria de vuelo también puede curvarse hacia arriba y hacia abajo en el plano vertical. Por eso es tan útil tomar el punto de vista de que las fuerzas "sentidas" en vuelo son simplemente las fuerzas aerodinámicas reales generadas por la aeronave, sin que la gravedad y la "fuerza centrífuga" jueguen un papel directo.

Considere, por ejemplo, esta respuesta ASE relacionadasobre por qué un planeador experimentó una carga G negativa en la parte superior del bucle. Si imaginamos que el bucle está obligado a seguir una pista predefinida con un radio establecido como una montaña rusa, podemos imaginar que la explicación es simplemente que no comenzamos con suficiente velocidad para generar suficiente "fuerza centrífuga" para contrarrestar gravedad y "dar la vuelta completa" sin colgarse de los cinturones. Pero reconociendo que la trayectoria de vuelo no está restringida a seguir una trayectoria predefinida, es más útil reconocer que cuando "sentimos" una carga G negativa, el ala debe haber estado volando con un ángulo de ataque negativo y generando sustentación negativa. Lo que plantea la pregunta: "¿Por qué el ala generaba una sustentación negativa, con la palanca de control completamente hacia atrás? ¿Por qué el ángulo de ataque no se mantuvo positivo,

La idea de que un giro coordinado presenta un "equilibrio" entre la fuerza centrífuga y la gravedad puede ser técnicamente cierta, pero no tiene poder explicativo, especialmente en el contexto de una trayectoria de vuelo que es libre de variar en tres dimensiones a medida que la sustentación y otras variables son variado, en lugar de estar obligado a correr a lo largo de una pista preexistente como en el caso de una montaña rusa. No revela que el factor clave en un giro "coordinado" es simplemente que el fuselaje está aerodinámico al flujo de aire, de modo que la aeronave no genera fuerza lateral aerodinámica y, por lo tanto, no tiene un componente de fuerza aerodinámica en la dirección lateral (hacia los lados) en el marco de referencia de la aeronave. Puede llevar a creer que en un deslizamiento lateral, una velocidad de giro anormalmente baja está causando de alguna maneraque la aeronave se deslice lateralmente por el aire, en lugar de entender que la aeronave está siendo forzada o se le permite volar lateralmente por el aire, lo que crea una fuerza lateral aerodinámica (así como la resistencia), lo que provoca una reducción en la velocidad de giro. Puede llevar a uno a creer que un piloto de alguna manera debería estar haciendo ajustes en el ángulo de ataque para obtener la fuerza de sustentación "correcta" para la velocidad aerodinámica y el ángulo de alabeo, o de lo contrario la aeronave se deslizará hacia el interior del giro. (Nota a pie de página por añadir.)

En resumen, el enfoque de "fuerza centrífuga más gravedad" a menudo no es la forma más útil de ver el problema cuando la trayectoria de vuelo es libre de variar en lugar de estar restringida a tener una forma particular como una línea recta o un bucle perfectamente circular de radio predefinido, o un círculo horizontal redondo con un radio de giro predefinido y ángulo de alabeo o velocidad aerodinámica. A menos que estemos haciendo retroingeniería de las fuerzas "sentidas" (es decir, las fuerzas aerodinámicas) de un track log guardado que se registró con tremenda precisión, el enfoque de "fuerza centrífuga más gravedad" no tiene mucha aplicación. Para saber qué es la fuerza "centrífuga", tenemos que saber cuál es la trayectoria, y para saber cuál es la trayectoria, generalmente tenemos que conocer las fuerzas que actúan sobre la aeronave, incluidas las fuerzas aerodinámicas,

El enfoque de "fuerza centrífuga más gravedad" generalmente es más adecuado para comprender las fuerzas que se sienten en los autos de carrera que viajan a lo largo de pistas de ángulos de inclinación fijos y radios de giro fijos, o el ángulo tomado por una cuerda de longitud fija atada a un balde lleno de agua que gira. en un círculo, que a las fuerzas "sentidas" en un avión cuya trayectoria es libre de variar en tres dimensiones. Pero cuando se aplica correctamente, no es una forma inválida de ver la mecánica del vuelo.