¿Por qué, con una hélice de velocidad constante, mover el control de la hélice hacia adelante aumenta la resistencia?

El control de apoyo establece las RPM del motor. Al moverlo hacia adelante, el gobernador puede aplanar las palas, lo que da como resultado un ángulo de ataque más bajo. De hecho, en ciertas circunstancias, el AoA es tan bajo que en realidad se vuelve negativo, lo que significa que el flujo de aire se mueve más rápido a través de la hélice que la hélice hacia adelante. Esto es como correr con un molinete .

En nuestro caso, las hélices generalmente siempre tendrán una diferencia entre el paso efectivo y el paso geométrico[*]. Cuando el paso efectivo es más corto, la hélice está haciendo un empuje positivo y cuando es más largo, la hélice está haciendo un empuje negativo.

Inmediatamente podemos inferir que la fuerte desaceleración que se siente cuando se acelera el control de apoyo se debe a que el paso efectivo es más largo que el paso geométrico. Así es como sabemos que el AoA es negativo.

Efectos del AoA negativo

@MichaelHall lo explicó bien en su respuesta , por lo que no entraré mucho en eso aquí. En resumen, el AoA negativo significa que en lugar de que el área de alta presión sea la parte inferior de la hoja, se convierte en la parte superior. Esto invierte el$F$dirección del vector, y significa que la hélice ya no está absorbiendo el par del eje, sino que está transmitiendo el par al eje.

¿Hacia dónde va la energía?

La hélice gira más rápido, cierto, pero ¿por qué esto ralentiza el avión? Después de todo,$E = F d$, y si hay una fuerza de desaceleración, debe haber algún lugar donde fluya la energía.

La respuesta es doble. Una pequeña cantidad de energía se destina a las pérdidas por arrastre parásito en la hélice, pero la mayor parte se destina al bombeo del motor ya las pérdidas por fricción.

Simplificando un poco las cosas [**], para un ICE de gasolina clásico, la energía perdida por ciclo de cilindro ideal es$E = p v$. Si tenemos un estándar de pantano$360\rm{in}^3$motor, como el venerable Lycoming O-360, luego, convirtiéndolo en unidades estándar y suponiendo un 75% de vacío detrás de la placa del acelerador cerrada, tenemos E = 101300[Pa] * 0.75 * 5.90[L]/1e3[L/ m^3] = 448J por ciclo. Dado que el Lycoming es de cuatro tiempos, un ciclo de pistón toma dos revoluciones y, por lo tanto, a 2700 RPM, una velocidad máxima típica, tenemos 1350 ciclos/minuto, o 22,5 ciclos/seg.

22,5 * 448 = 10kW, o aproximadamente 13hp .

Teniendo en cuenta que el 0-360 solo produce 180 hp, un factor de frenado del motor de aproximadamente el 10% del empuje máximo ciertamente se hará sentir.

Si bien no hemos tenido en cuenta la fricción interna ni la resistencia parásita, ni las desviaciones de un motor de Carnot ideal, aún podemos ver que el disipador de energía principal es el motor que bombea aire contra una placa de aceleración cerrada.

Este efecto de frenado del motor es muy familiar para los motociclistas y los conductores de palanca de cambios, y se aplican los mismos principios. Curiosamente, esto no se aplica a los motores diesel, ya que no tienen placa de aceleración. Tienen fuerzas de frenado del motor mucho más bajas y los camiones diésel tienen que esforzarse un poco para crear la fuerza de frenado del motor, que es un respaldo útil para los frenos de fricción tradicionales.

_{[*] Lea sobre el fascinante e ingenioso método para lograr un verdadero empuje 0, necesario para probar empíricamente la tasa de planeo de un avión motorizado: https://engineering.purdue.edu/~andrisan/Courses/AAE490A_S2010/Buffer/AIAA- 46372-872.pdf
[**] Suponemos que no hay pérdidas por fricción y que la transferencia de calor es mínima.}

Saquemos el motor de la ecuación para simplificar las cosas. De hecho, saquemos el accesorio también y consideremos una comparación muy elemental: el viejo ejemplo de "repartir por la ventana"...

Saca la mano por la ventanilla cuando estés conduciendo y siente la resistencia que crea. Ahora gira tu mano. ¿Puedes sentir cómo hay poca resistencia cuando tu mano forma un "filo de cuchillo" en comparación con cuando tu palma está plana y perpendicular al flujo de aire? (Sé que lo sabes y no estoy tratando de insultar la inteligencia de nadie, pero a veces me resulta útil volver a lo básico para dejar claro un punto...)

Este es el mismo principio que funciona cuando varías el tono de la utilería. Cuando mueve el control de la hélice hacia atrás, hacia el cabeceo del rumbo, está disminuyendo el área de la superficie de la hélice que mira hacia el flujo de aire, lo que disminuye la resistencia. ( recuerde, estamos considerando una hélice de giro libre aquí, en un descenso deslizante, porque eliminé la potencia del motor del ejemplo por ahora... ) pequeño arrastre

Ahora considere lo contrario, que movemos el control de apoyo completamente hacia adelante. Esto tiene el efecto de aplanar las palas a un paso fino. Si vamos lo suficientemente lejos, forman un disco de rotación lenta, con una gran cantidad de superficie expuesta al viento que se aproxima, creando una gran cantidad de arrastre parásito. (como la palma de tu mano).

Volvamos a añadir el motor: durante el despegue y el ascenso, seleccionamos un paso fino, pero no es para crear resistencia, es para obtener la mayor potencia a altas RPM y velocidades aerodinámicas más lentas cuando lo necesitamos. Al igual que cambiar su automóvil o bicicleta a una marcha más baja cuando sube una colina. Normalmente, en crucero o descenso, tiramos de la palanca de la hélice hacia atrás para seleccionar un paso más grueso para una eficiencia de RPM más baja a alta velocidad, al igual que podría usar la sobremarcha en la autopista.

Cuando la hélice está bajo carga del motor, está produciendo energía. Las palas tienen un ángulo de ataque positivo, y están tomando "mordidas de aire" y acelerándolas hacia atrás para crear empuje. Sin embargo, en un descenso con la potencia al ralentí, puede ocurrir lo contrario. El ángulo de ataque puede ser negativo ya que los puntales extraen energía de la corriente de aire para rotar en lugar de agregar energía. Esto contribuye al efecto de desaceleración de la resistencia.

Básicamente, al variar el ángulo de la hoja y la configuración de potencia del motor, podemos usar la hélice para empujarnos hacia adelante o para resistir el movimiento hacia adelante.

Entonces, ¿cuándo podríamos usar el puntal para crear más arrastre y resistir el movimiento hacia adelante? Bueno, en un descenso en vuelo inactivo cuando se intenta reducir la velocidad al tren de aterrizaje y la velocidad de extensión de flaps. Sin frenos de velocidad, a veces puede ser un desafío reducir la velocidad, pero si movemos los accesorios a un paso fino, se aplanan y se convierten en un dispositivo de arrastre muy eficiente.

Lo sé, se siente contradictorio empujar los accesorios para reducir la velocidad, pero créeme, funciona bastante bien. Es similar a la idea de reducir la marcha de su automóvil en una pendiente pronunciada en lugar de pisar los frenos. (y por su pregunta parece que ha experimentado este efecto de primera mano...)