Girar un avión: giro coordinado e inclinómetro ("la pelota")

Estoy volando, girando en una órbita estable, es decir, a un nivel constante con un ángulo de alabeo constante, a una velocidad aerodinámica constante, con un radio de giro constante, como en la siguiente imagen:

Estoy volando a lo largo de la línea curva negra. El ascensor se dirige como el eje azul (ortogonal a las alas). La componente vertical del ascensor compensa exactamente la gravedad, y la componente horizontal del ascensor es responsable del giro (olvídese del componente en la dirección del movimiento).

Ahora considere el inclinómetro (también conocido como la pelota, también conocido como indicador de equilibrio, también conocido como indicador de deslizamiento). Se supone que la posición de la pelota me dice si mi turno está "coordinado" o no. Si la bola está centrada, el giro es coordinado, de lo contrario, la práctica normal es usar timones ("pisar la bola") para centrar la bola y obtener un "giro coordinado".

Dado que la órbita es estable, la pelota está estacionaria con respecto a mí, por lo que la pelota debe estar sujeta a la misma aceleración exacta que siento. Considere el marco de referencia adjunto al avión, como en la imagen. En este marco de referencia no inercial, las fuerzas que experimento son la gravedad, la sustentación y la fuerza centrífuga (aparente). Dado que ni yo ni la pelota nos estamos moviendo con respecto al marco de referencia, todas estas fuerzas deben equilibrarse. En mi caso la sustentación la ejerce sobre mí el asiento y en el caso de la pelota la pared de la jaula/frasco que la contiene. En ambos casos la fuerza ejercida sobre los cuerpos para compensar la gravedad y la fuerza centrífuga debe ser exactamente en la misma dirección y fuerza del ascensor. Esto solo puede suceder para la pelota cuando la pelota está en el fondo del vial curvo,

Entonces mi pregunta es: ¿cómo puede la pelota estar "fuera de la jaula"? ¿Y cómo puede afectar el uso del timón a la posición de la bola si el avión se desvía girando alrededor del eje azul (es decir, alrededor de la dirección de elevación)?

relacionado, sobre aviación. SE: ¿Qué indica realmente la bola de equilibrio?

Respuestas (2)

La forma en que la pelota puede estar descentrada es si el viento relativo está descentrado en el eje de guiñada.

El avión tiene un timón en la aleta de cola vertical y está conectado a los pedales donde descansas los pies. Si presiona hacia adelante con el pie derecho, eso tira del timón hacia la derecha, lo que hace que el viento empuje la cola hacia la izquierda y la nariz del avión se balancee hacia la derecha. Esto no cambia la dirección de movimiento del avión, solo su actitud relativa a esa dirección de movimiento.

Debido a que el viento golpea el lado izquierdo del avión, lo sientes inmediatamente como una fuerza lateral: tu hombro presiona contra la puerta y la pelota se mueve fuera del centro.

Lo que pasa con los giros es que, en el proceso de entrar en un giro a la derecha, digamos, debes levantar el ala izquierda, presionando el alerón en ese ala. Eso no solo levanta el ala izquierda, sino que arrastra la nariz hacia la izquierda. El alerón del ala opuesta también arrastra, pero mucho menos. Este arrastre de alerón se llama "guiñada adversa". Para contrarrestar la guiñada adversa, puede aplicar algo de timón a la derecha. Cuando lo has hecho correctamente, la pelota permanece en el centro, y eso se llama "giro coordinado". Por supuesto, una vez que esté en el giro, no necesita inclinarse más, por lo que puede relajar tanto los alerones como el timón. Cuando haya alcanzado el rumbo deseado y quiera enderezarse de nuevo, haga lo contrario.

Se necesita un poco de práctica y se siente muy bien cuando lo haces bien.

El otro uso del timón es en un aterrizaje con viento cruzado. A medida que te acercas a la pista, te "encogen" de lado porque tu nariz está orientada hacia el viento relativo. Si aterrizara de esa manera, se tropezaría con las ruedas, por lo que antes de aterrizar alinea el morro con el timón con respecto a la pista (por cierto, se produce esa fuerza lateral). Para evitar que la fuerza lateral y el viento te saquen de la línea central de la pista, te inclinas hacia el viento, convirtiéndote efectivamente en el viento al mismo tiempo que no estás coordinado. Dado que está inclinado, la rueda inferior toca primero. Con práctica, y si el viento es lo suficientemente estable, puedes recorrer toda la longitud de la pista sobre una rueda y luego volver a despegar.

EDITAR: aquí hay una pequeña imagen que podría aclarar por qué presionar un pedal de timón te haría sentir una aceleración lateral:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Gracias Mike, pero no estaba pensando en maniobras transitorias (como entrar en un giro). En esas situaciones sientes un desequilibrio (temporal). Mi punto es que en un giro estable (incluso en uno no coordinado) la bola siempre debe estar centrada, por el razonamiento anterior. En realidad, si pones muy poco o demasiado timón, harás que la pelota baile (como en este ejemplo: youtube.com/watch?v=G962tc789dQ&feature=related ), y esto es lo que no entiendo.
@Marco: Ese es un video excelente. Además de ilustrar la guiñada adversa, muestran lo que sucede cuando estás en el giro y aplicas el timón (en mayor o menor grado del necesario para contrarrestar la guiñada adversa). La mayoría de los aviones tienen una tendencia a enderezarse por sí mismos, por diseño, lo que significa que, incluso en medio de un giro, tienes que aplicar algún alerón para mantener el alabeo y el timón correspondiente.
sí, es un buen video, pero desafortunadamente no explica por qué la pelota sale descentrada. Lo que sucede en la vida real choca con mi comprensión de cómo el avión se desvía alrededor del vector de sustentación. centro..". Si bien esta es una sugerencia práctica, no explica la física.
@Marco: La forma en que el piloto hace que la bola se mueva así es presionando el timón de un lado a otro, eso es todo. No tiene que hacerlo, solo muestra lo que sucede si lo hace.
si, lo se, y ese es el problema! No debería moverse, porque el avión gira alrededor de la línea de acción del ascensor.. mi pregunta proviene de experimentar el efecto pero no poder explicarlo. Piénselo de esta manera: cuelgue un pequeño avión de una cuerda y cuelgue un pequeño péndulo debajo del avión, como en esta imagen: tinypic.com/r/sqsb2w/6 . Si el avión gira, el péndulo no se mueve... si ahora giras todo el lote, el avión permanecerá en un ángulo (misma física que el real), y el péndulo estará alineado con la cuerda, siempre, incluso si el avión gira/guiñada...
@MikeDunlavey, creo que te estás perdiendo el punto. Entiende cómo el piloto mueve la pelota. Está pidiendo una descripción de lo que está mal con su imagen mental de las fuerzas que hacen que la pelota se mueva.
@ColinK: OK, otro intento... El avión que cuelga del péndulo no apunta hacia un huracán, pero sí un avión real. Empujar el timón hacia un lado hace que el fuerte viento presione más un lado del avión que el otro, y los lados son planos, por lo que el avión experimenta sustentación lateral, no debido a las alas sino a los lados del fuselaje en el viento. Esa sustentación lateral es la que muestra la pelota. ¿Eso ayuda?
no, porque la fuerza que menciona se experimentaría solo en ausencia de una fuerza correspondiente que mantuviera la velocidad sin cambios (es decir, si y solo cuando el componente "lateral" de la velocidad se redujera, debido a la elevación ahora lateral). Es como ir de lado en un tren rápido. No siente la resistencia del aire cuando se mueve a una velocidad constante, solo si el motor se apaga, sentirá la resistencia del aire. En el caso del avión, la hélice suministrará la fuerza necesaria para contrarrestar la deriva lateral.
Gosh @Marco, mis poderes de explicación deben estar agotados, y asumo que has leído y releído Stick and Rudder , el mejor librito sobre el tema. Entonces, lamento no poder ayudar más.
Gracias Mike, y sí, lo he leído, pero piensa en esto: te sientas en una caja, que se está moviendo en la melaza (mucha resistencia) pero es empujada por un motor potente que empuja para que la velocidad de la caja sea constante. ¿Sentirías arrastre/aceleración? Obviamente no, o sentirías aceleración también en el caso normal de un simple vuelo recto y nivelado. En el caso en cuestión sentirías la aceleración en el cambio transitorio de orientación (antes de que el sistema se asiente en la nueva actitud) pero no después.
@Marco: Muy pronto, nos dirán que tomemos esto para conversar, pero si estás en un bote largo, moviéndote a una velocidad razonable a través del agua, y alguien de repente lo dobla horizontalmente, entonces siente una fuerza que lo empuja hacia un lado, eso va a producir algo de aceleración lateral, y lo sentirás (espero que estés de acuerdo). Lo mismo en un avión, estés o no en un banco. OK, te daré la última palabra :)
¡Sí, estoy completamente de acuerdo! Es porque la resistencia está desequilibrada, por lo que a tu cuerpo le gustaría continuar (por inercia) en la misma dirección, pero el barco ahora está disminuyendo la velocidad (resistencia). Por lo tanto, debe apoyarse en el costado del bote para reducir la velocidad ... PERO no estoy hablando de una guiñada repentina en una ruta de vuelo recta. Estoy hablando de un giro, bajo potencia, simplemente hecho "ligeramente de lado" a una velocidad de giro constante. En este caso no se siente fuerza lateral.
¡¡AH!! ¡Creo que lo tengo! En su dibujo (lo acabo de ver ahora...) lo que está mostrando es lo que se llamaría un giro plano, simplemente usando el timón y sin inclinación. En este caso, la fuerza horizontal hará que el avión gire (lentamente) y SÍ verás que la bola se mueve hacia el exterior de la curva (hacia la izquierda en tu ejemplo). La guiñada cuando ya está en un giro (realizado con alerones) sería una especie de giro plano sobre el coordinado y, por lo tanto, tendría el efecto de alterar ligeramente el ROT Y desequilibrar la bola. Mis contraejemplos a su punto fueron incorrectos/engañosos porque...
..No estaba tomando en cuenta el hecho de que la fuerza lateral gira con el avión y en realidad genera/se suma a la fuerza centrípeta. ¡Ahora tiene sentido! gracias por la discusion..
@Marco: Una imagen vale más que mil palabras :)
... en realidad fue más tu insistencia con el arrastre lateral (Y el hecho de que siempre está generando una fuerza centrípeta Y el hecho de que ignoré esto por completo en mi modelo...), pero la imagen fue el catalizador... La próxima vez que volar voy a hacer algunos experimentos, con los ojos vendados.. :-)
@Marco: La mayoría de los aviones están diseñados con un ángulo diedro, por lo que si simplemente gira el timón, intentarán inclinarse. Una excepción fue el Spirit of St. Louis, que tenía un ala recta y una cola pequeña. Mantenerlo recto requería una atención constante al timón.

En ambos casos la fuerza ejercida sobre los cuerpos para compensar la gravedad y la fuerza centrífuga debe ser exactamente en la misma dirección y fuerza del ascensor. Esto solo puede suceder para la pelota cuando está en el fondo del vial curvo, porque solo entonces la pared del vial es normal a la dirección vertical (eje azul).

Esto no es correcto. Si la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave no es "hacia arriba" en el propio marco de referencia de la aeronave (es decir, paralela a la dirección en la que apunta la aleta vertical), entonces la pelota estará en equilibrio cuando se encuentre en algún lugar que no sea el centro exacto del tubo de vidrio curvo.

¿Y cómo puede afectar el uso del timón a la posición de la bola?

Al permitir u obligar a la aeronave a volar lateralmente por el aire, de modo que el aire golpee el costado del fuselaje y genere una fuerza lateral aerodinámica (realmente una forma de elevación lateral), como se indica en esta respuesta relacionada . Esto hace que el vector de fuerza aerodinámica neta apunte en una dirección que no sea "hacia arriba" en el propio marco de referencia de la aeronave.

El punto clave es que el vector de sustentación del ala no es la única fuerza aerodinámica que actúa sobre el avión.

Relacionado: ¿Es correcto este diagrama vectorial de las fuerzas en juego al girar el vuelo?

Girar un avión: giro coordinado e inclinómetro ("la pelota")
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