¿La velocidad de un avión propulsado por hélice está limitada por la velocidad del sonido?

No olvide que el avión se moverá hacia adelante, por lo que no depende de un llenado de vacío por delante de la hélice para suministrar aire a esta última.

Ahora me atrevo a decir que hay buenas razones de ingeniería por las que las hélices no son eficientes e incluso impracticables para vuelos supersónicos, pero no creo que haya una razón teórica de física fundamental que las descarte.

Una hélice, desde un punto de vista teórico, no es muy diferente de un chorro de turbina de gas o incluso de un cohete en la medida en que simplemente "arroja cosas hacia atrás", empujando así el aire que arroja y siendo empujado hacia adelante a fuerza de la tercera ley de Newton. Si se le puede suministrar suficiente aire para lanzarlo hacia atrás (y creo que mi primera oración muestra que probablemente no haya escasez de suministro) y si puede impartir un impulso lo suficientemente alto al aire, entonces, en principio, no hay límite para la velocidad. el aire es lanzado hacia atrás por la hélice. ¿Qué sucede si se lanza hacia atrás a una velocidad superior a la del sonido? Pues en este caso habría una sobrepresión, lo que significa que habría una acumulación de aire allí, el aire se vuelve más denso y "más rígido", y la velocidad local del sonido detrás de la hélice puede ser mucho mayor que la del aire circundante. A medida que la hélice hace esto, el aire sufrirá un fuerte aumento de temperatura adiabático. Llevando esta idea a su extremo lógico, observe que los motores de los cohetes arrojan gas detrás de ellos a aproximadamente 10 veces la velocidad del sonido. Es simplemente una cuestión de cuánto aceleras el gas; en principio, no hay diferencia si esta aceleración se logra mediante energía química o un gran murciélago golpeando el aire hacia atrás.

No físicamente, pero prácticamente hay (actualmente) mejores alternativas.

El problema limitante con las hélices es similar al problema limitante con los helicópteros: las hélices funcionan como secciones de ala en el sentido de que deben acelerar el flujo para trabajar; cuando estás cerca de la velocidad del sonido, esto significa que vas a causar que se formen descargas, y este problema es particularmente malo (en comparación con un turboventilador, por ejemplo) ya que las hélices funcionan acelerando un poco una gran masa de flujo, lo que significa que hace que sus hélices sean muy grandes y, por extensión, aumenta la longitud de su amortiguador; los choques dañan todo y también requieren una gran cantidad de energía para superarlos: a los aerodinámicos les gusta evitar los choques.

Editar: la información que falta aquí es que, si bien muchas personas entienden que, en un tubo 1D, el flujo se acelera a medida que disminuye el área de la sección transversal , hasta M = 1 (conservación de la masa), lo que es menos conocido es que como la cruz el área de la sección luego aumenta , el flujo puede continuar acelerándose a M>1. Este es el resultado de la compresibilidad, entre otras cosas. Debido a esto, no hay un límite físico (inserte un gesto con la mano aquí, ciertamente existe uno, solo que no es aplicable en esta región) que no podemos exceder cuando aceleramos nuestro flujo con una sección del ala, por ejemplo, un apoyo. La cuestión es que, como siempre perdemos energía lentamente de nuestro flujo, en algún momento un flujo supersónico siempre volverá a las condiciones subsónicas, lo que sucede con un choque fuerte y violento, a través del cual una gran cantidad de energía se convierte de KE en calor.

Como resultado de una mejor comprensión en esta área, se espera que en las próximas décadas los aviones transónicos hagan la transición a diseños de turbohélice con hélices contrarrotatorias.

Una hélice puede funcionar a velocidades supersónicas porque a medida que se acerca a esas velocidades alcanza las moléculas de aire a medida que se mueve. Por lo tanto, no tiene que "esperar" a que las moléculas se muevan hacia el vacío que crea.

En otras palabras, el empuje de una hélice no llega a cero solo porque el avión alcanza una cierta velocidad.

Pero no es suficiente tener empuje. Necesitas "mucho" impulso...

Su pregunta, la forma en que está planteada, permite una respuesta rápida: No, en principio, este avión puede caer con una velocidad superior a 1M.

Sin embargo, lo único que necesitas es acelerar las moléculas de aire para que ganes impulso (y velocidad). (1) En principio, no está prohibido inventar una hélice de este tipo. Pero normalmente, con un diseño clásico, tendrá serias dificultades con la eficiencia a altas velocidades de rotación.

Con respecto a la vista (2,3), debe considerar las palas de la hélice como perfiles de ala, luego puede jugar con presión dinámica hacia arriba y hacia abajo. Pero olvidas que no solo tienes una presión baja delante, sino también una presión más alta detrás.

(4) Básicamente sí, pero la velocidad del sonido depende de la temperatura absoluta.

La respuesta a la pregunta principal es no . La razón por la que es no, es porque su razonamiento es defectuoso. Además del vacío creado frente a la hélice, existe el impulso aplicado a la hélice por la reacción al aire que se aleja de la hélice. Aunque la fuerza debida al vacío llega a un límite, la debida al impulso no . Está limitado solo por la rapidez con la que la hélice puede "empujar" el aire hacia atrás, sin que la hélice se rompa. Entonces, con una hélice de muy alta resistencia y un motor potente, debería ser posible volar a más de M1.

Sí, la velocidad de un avión propulsado por hélice está limitada por la velocidad del sonido, pero no en la forma en que piensas. Qué esta pasando:

El avión de hélice tiene una velocidad propia y vuela hacia un montón de aire previamente desprevenido, que estaba jugando con sus pulgares. A velocidades de aeronaves subsónicas, el aire frente al avión recibe una advertencia y comienza a ensamblarse hacia la hélice.

Fuente de imagen

El aire entrante golpea el disco de la hélice a una presión total más alta que la presión ambiental, ¡aquí no hay vacío! Y la hélice imparte energía a la corriente de aire entrante y la acelera hacia atrás. Esto proporciona el empuje que permite que el avión vuele.

La imagen de arriba explica el principio de generación de empuje utilizando el método de impulso, que es útil pero no se preocupa por la potencia requerida para hacer girar la hélice. Las palas de la hélice son alas en miniatura que giran, proporcionan empuje (similar a la sustentación de un ala) y requieren torsión (similar al arrastre de un ala). La velocidad de la punta de la pala es la suma vectorial de la velocidad de rotación y la velocidad del aire.

Y si la velocidad punta se vuelve supersónica, ahí es donde está el factor limitante. A velocidad supersónica, las ondas de choque producen una cantidad extraordinaria de resistencia sin ningún aumento útil en la sustentación, por lo que se requiere un rápido aumento en la potencia del motor sin que la hélice produzca más empuje.

Tenga en cuenta que la velocidad límite es la velocidad de la punta de la hélice. La velocidad del aire del avión es uno de los vectores que contribuyen a ello y, por tanto, siempre es inferior a la velocidad del sonido. Los límites prácticos para los aviones de hélice están en torno a M=0,6, por encima de los cuales se requieren motores a reacción.