¿Los aviones utilizan la mayor parte de su combustible para superar la fricción?

Se afirmó (tangencialmente) en esta pregunta que los aviones utilizan la mayor parte de su combustible para overcome frictional losses.

  • ¿Es esa una afirmación verdadera?
    • Si es así, ¿aproximadamente qué porcentaje de combustible se utiliza para superar la fricción?
    • Si no, ¿cuál es el uso principal del combustible? (Más allá del obvio 'hacer funcionar los motores').
Por fricción, ¿se refiere a la fricción de la superficie basada en la rugosidad de la superficie de la aeronave, como los remaches o la resistencia total?
Buena pregunta, @RonBeyer, y no estoy muy seguro. Solo cuestiono la declaración hecha en la otra pregunta, ya que no fue respaldada y no me pareció realista. Sospecho que nuestras respuestas habituales de alta calidad abordarán ambos temas.
@vasin1987 Lift es una fuerza. Una fuerza no necesariamente transfiere energía, eso depende del movimiento paralelo a la fuerza. Una vez que la nave ha alcanzado la altitud máxima, la sustentación no aporta más energía potencial a la nave. No creo que los vuelos de larga distancia puedan apagar sus motores una vez que alcanzan la altitud máxima y llegan a su destino sin quemar más combustible. Esa energía tiene que ir a alguna parte, y no va a convertirse en más energía potencial.
@kasperd mi comentario no entra en detalles sobre la fuerza o la energía. Demasiado complicado para mí. Solo sugiera que parte de la quema de combustible se usa para crear sustentación para vencer la gravedad. Necesitas algo de fuerza para vencer la gravedad.
@ vasin1987 La fuerza no es energía. Necesitas fuerza para vencer la gravedad, no energía.
@kasperd: la Fuerza proviene de los midiclorianos y la necesitas para superar el lado oscuro. ;)

Respuestas (5)

No, la mayor parte del combustible se desperdicia por la ineficiencia del motor.

Los motores de combustión interna, como los motores de turbina, no son exactamente eficientes energéticamente. La mayor parte del combustible se desperdicia al hacer funcionar el motor. Solo alrededor del 35% al ​​40% de la energía del combustible se convierte en energía propulsora. El resto de la energía del combustible (~ 65 %) se pierde al calentar la atmósfera directamente, el exceso de energía cinética en la corriente de escape, el arrastre y la fricción internos del motor y la producción de ruido.

El ~35% restante de la energía está ahí para superar el trabajo realizado por el arrastre.

Este arrastre se puede dividir en arrastre inducido por sustentación y arrastre parásito. También se puede dividir en arrastre por presión y arrastre por fricción. Para simplificar, suponga que todo el arrastre inducido por sustentación es todo arrastre de presión, y todo el arrastre parásito es arrastre de fricción.

Las aeronaves generalmente navegan cerca de la velocidad donde la resistencia es más baja. En tal situación, el 50% del arrastre es arrastre inducido y el 50% es arrastre parásito. En la práctica, la velocidad de crucero está un poco por encima de la velocidad mínima de arrastre, por lo que el arrastre parásito supera al arrastre inducido. Si nuestra suposición anterior es correcta, entonces más del 50% del arrastre sería arrastre por fricción.

Eso llevaría las estimaciones totales a:

  • 65% desperdiciado
  • 20% arrastre de fricción
  • 15% de arrastre de presión

Por ejemplo, el GE90, el motor instalado en la mayoría de los Boeing 777, produce un empuje de 70 kN en vuelo de crucero de 250 m/s con un consumo de combustible de 1,08 kg/s.

La potencia propulsora entregada por el motor es 70 ⋅ 10 3 ⋅ 250 = 17.5 ⋅ 10 6 W .

El combustible para aviones tiene un calor específico de 43.15 ⋅ 10 6 J/kg El consumo de energía de los motores es así:

1.08 ⋅ 43.15 ⋅ 10 6 = 46.6 ⋅ 10 6 W

Eso da una eficiencia del 37,6%. Esto puede parecer pobre, pero es uno de los motores más eficientes disponibles en la actualidad.

Fuente de datos PDF para empuje, velocidad y consumo:

Bueno, estás describiendo "pérdidas por fricción"... es solo dentro del motor, no en la piel.
@foot La fricción dentro del motor es una parte muy pequeña del 65%, no es realmente significativa.
De acuerdo, las turbinas son muy diferentes a los motores de combustión interna. El aire pasa por una serie de compresiones y expansiones (estatores/compresores) como dijo deltalima las perdidas se deben a perdidas termicas en el escape de la camara de combustion. La energía que no se convierte para hacer girar el eje de la turbina. Esta es la razón por la cual el aceite no se usa para lubricar el motor de turbina como el motor de combustión interna.

A los aviones les gusta volar cerca de su relación L/D óptima, donde la resistencia alcanza su mínimo . A esa velocidad, la resistencia se divide uniformemente entre la resistencia inducida (relacionada con la sustentación) y la viscosa. En una aproximación muy aproximada, la mitad del arrastre es causado por la fricción.

Sin embargo, si miramos más de cerca, el arrastre tiene más fuentes. Además de la fricción y el arrastre inducido, existe un arrastre de presión debido a la separación del flujo en las superficies romas que miran hacia atrás. Los efectos de la capa límite podrían causar una mayor separación, pero esto es muy específico de la aeronave y del ángulo de ataque. Se podría argumentar que este tipo de arrastre de presión también es causado por la fricción.

Si ahora nos fijamos en misiones específicas, aparecen más diferencias:

  • Un interceptor intentará llegar a un punto específico en el menor tiempo posible. Aquí, el arrastre por fricción será fácilmente la fuente dominante de arrastre, el arrastre inducido es pequeño y se necesita parte del combustible para la aceleración.
  • Los aviones de pasajeros vuelan con un rendimiento de transporte óptimo, que es más rápido de lo que requeriría un L/D óptimo . El arrastre por fricción aquí es de hecho la mayor fuente de arrastre, pero contribuye quizás entre un 50% y un 60%.
  • Los aviones de observación que desean optimizar el tiempo de vuelo volarán más lento de lo que requiere L/D óptimo, especialmente si usan hélices. Ahora, la resistencia inducida es responsable de la mayor parte del combustible utilizado.

Para un avión en vuelo nivelado, la sustentación se opone al peso del avión y el empuje de los motores se opone al arrastre del avión.

Una forma de arrastre es el arrastre por fricción de la piel . La declaración a la que hace referencia está en el contexto del calentamiento de la piel, y la fricción de la piel es la forma principal en que la piel se calentará. En cambio, otras fuentes significativas de arrastre agregan energía al aire.

Según este artículo , aproximadamente la mitad de la resistencia aerodinámica de un avión comercial proviene de la fricción de la piel . Esta estimación de la resistencia de crucero para un jet de negocios muestra un desglose similar. Alrededor de un tercio de la resistencia es resistencia inducida, que es el efecto secundario de la sustentación.

Para abordar la declaración original, el arrastre por fricción puede representar la mayor parte del uso de combustible, pero no mucho. Es la mayor fuente de arrastre, pero no siempre más de la mitad del arrastre total.

Me doy cuenta de que la pregunta es bastante vaga, no hay mucho que pueda hacer al respecto, ya que estoy saliendo de una cita de la otra pregunta. Sin embargo, supongo que esa skin friction drages la causa más probable de la fricción a la que se hace referencia. ¿Se mantiene la afirmación majority of fuel usede vencer skin friction drag?
@FreeMan Intenté agregar una declaración sobre eso.

Esa declaración simplifica lo que realmente está sucediendo con los conceptos básicos de la física 101. Técnicamente, esa declaración es 100% cierta. También es cierto para los automóviles y los barcos: su automóvil usa la mayor parte de su combustible para superar la fricción.

Primera ley de Newton: Un objeto que está en movimiento permanece en movimiento.

Eso significa que una vez que su automóvil o avión haya alcanzado la velocidad deseada, ya no necesitará hacer funcionar el motor y el automóvil/avión continuará moviéndose a una velocidad uniforme hasta que aplique los frenos. ¿Es así como conduces tu coche? Obviamente no. Debe pisar el acelerador hasta el final (o al menos la mayor parte del camino).

Entonces, ¿qué da? Newton dice que el automóvil debe continuar moviéndose y, por lo tanto, ¡debería poder apagar el motor durante el 99% de su viaje! La respuesta es la fricción, en todas sus diversas formas.

Algunas personas pueden decir: "pero la mayor parte de la energía en vuelo se usa para generar sustentación, no para superar la fricción". Pero la sustentación proviene de la fricción. La sustentación causa arrastre, específicamente arrastre inducido. Pero este arrastre solo es posible debido a la fricción: la fricción del aire consigo mismo. Cuantificamos esta "fricción" como viscosidad. Los fluidos que no tienen fricción tienen viscosidad cero (esas cosas existen: se llaman superfluidos) y es imposible generar sustentación en tales fluidos. Afortunadamente, el aire es viscoso, por lo que las alas de los aviones pueden funcionar en el aire.

Entonces... técnicamente es cierto: cualquier vehículo en movimiento gasta la mayor parte de su combustible para superar la fricción. Pero no es realmente útil desde una perspectiva de ingeniería.

Sin embargo, hay una excepción: las naves espaciales. Dado que la fricción es casi nula en el vacío del espacio, las naves espaciales queman su combustible solo al comienzo del viaje y al final para reducir la velocidad. El 99% de las veces, los motores de una nave espacial están apagados y la nave simplemente avanza gracias a la primera ley de Newton.

Por favor, no se tome demasiado en serio los artículos sobre la fricción y la condición de Kutta. La resistencia inducida por elevación no tiene nada que ver con la fricción. Si esos autores del artículo también hubieran observado las fuerzas de inercia, se habrían dado cuenta de que no necesitan fricción para explicar la condición de Kutta.
@PeterKämpf: Pero esas fuerzas de inercia son posibles principalmente debido a la viscosidad. Sin viscosidad no habría sustentación. Sin sustentación no habría arrastre inducido por sustentación.
@slebetman: ¿Por qué el levantamiento sería imposible sin la viscosidad? Imagine un avión que se mueve a través de una atmósfera no viscosa idealizada que consta de moléculas masivas que rebotan elásticamente en la superficie perfectamente lisa del avión pero que no interactúan entre sí excepto en escalas de tiempo largas, para asegurarse de que sus velocidades antes de que llegue el avión sigan un Maxwell- Distribución de Boltzmann. Si nuestro avión vuela con un ángulo de ataque positivo, aún podrá hacer rebotar moléculas hacia abajo, generando sustentación (y también resistencia inducida), pero no habrá fricción.
@HenningMakholm: sin viscosidad, y si las moléculas son realmente fluidas (en lugar de pelotas de ping pong), cada molécula también se moverá nuevamente a su posición original después de rebotar (en realidad, esto sucede incluso con viscosidad). Sin viscosidad, la cantidad de fuerza ascendente generada por la molécula que rebota hacia abajo es exactamente igual a la cantidad de fuerza descendente generada por la molécula que se mueve hacia arriba, generando exactamente cero elevación. Por supuesto, es posible que los superfluidos del mundo real no generen exactamente la misma cantidad de fuerza en ambos sentidos, por lo que los superfluidos físicos generan sustentación, pero no mucha.
@slebetman: ¿Qué fuerza o interacción haría que cada molécula "vuelva a subir a su posición original"?
@HenningMakholm: Sin viscosidad. La molécula que se mueve hacia abajo crea una ausencia de moléculas por encima de ella. Esto crea un vacío. En un fluido viscoso, algunas de las moléculas de arriba serán succionadas hacia esta región, lo que se sumará a la sustentación total. En los fluidos no viscosos, la mayoría de las moléculas que se han movido hacia abajo se moverán hacia arriba para llenar el vacío porque el movimiento hacia abajo crea una región de alta presión que empuja a las moléculas hacia arriba.
@slebetman: estoy especificando que las moléculas no interactúan en escalas de tiempo cortas, por lo que no hay nada que pueda cambiar la velocidad de cada molécula después de haber rebotado en el ala y comenzado a moverse hacia abajo. Sin embargo, lo que es más importante: las moléculas que rebotan hacia abajo desde el ala significa que el impulso hacia abajo se transfiere desde el avión a las moléculas en el gas. Si, como afirma, no se genera sustentación, ese impulso deberá devolverse a la aeronave. ¿Cómo sucede eso?
@HenningMakholm: Entonces eso no es un fluido. Tan bien. Según sus especificaciones, los perfiles aerodinámicos ciertamente pueden crear sustentación cuando se vuela en una atmósfera de pelotas de ping-pong. Usted mismo no ha tenido en cuenta la conservación de la cantidad de movimiento. En un superfluido no viscoso, las moléculas que han rebotado hacia abajo desde el ala volverán a subir a su posición original. ¿Cómo gana impulso el ala?
@slebetman: El ala gana impulso porque más moléculas la golpean en la parte inferior que en la parte superior, debido a que se mueve por el aire en un ángulo de ataque positivo. Lo que le sucede a esas moléculas después es irrelevante para la generación de sustentación; de todos modos, no influye en lo que experimenta el ala.
@HenningMakholm: Hasta ahora hemos estado discutiendo teorías. Presento un experimento físico real de medición de sustentación en superficies aerodinámicas en un "túnel de viento" helim superfluido que encontró que la sustentación desaparece a bajas velocidades y es extremadamente pequeña incluso a velocidades más altas. Esto no es teoría, es simplemente cómo se comporta la naturaleza: thesis.library.caltech.edu/455/1/Craig_pp_1959.pdf

Un motor a reacción es un dispositivo de ciclo Brayton y tiene límites fundamentales en el rendimiento. Según el diagrama de la fuente, parece que para el motor teórico ideal sin fricción y con una relación de presión de alrededor de 30 (motor Boeing 747), el límite de eficiencia es algo así como el 60 %.

Esto significa que alrededor del 40 % de la energía se disipa en forma de calor, el motor no puede convertirlo. No se pierde por fricción. Este es un porcentaje significativo, pero menos de la mitad.

Sobre algunos bombarderos a reacción de la Segunda Guerra Mundial con una relación de presión de aproximadamente 3, es posible decir que la mayor pérdida de energía se debe a la termodinámica del motor, no a la fricción.

¿Los aviones utilizan la mayor parte de su combustible para superar la fricción?
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