¿Por qué la sustentación es mayor que el empuje? [duplicar]

Se necesita empuje para superar la resistencia, y un buen diseño de avión puede crear mucha sustentación con poca resistencia. En el caso de un A-320, la relación sustentación-resistencia es de 18 en crucero (un poco menos durante el despegue), por lo que para levantar esas 78 toneladas solo se necesitan 4,33 toneladas de empuje. Todo lo que necesita es la cantidad correcta de velocidad de avance, y los motores solo necesitan mantener esta velocidad.

Los planeadores son aún más eficientes, su L/D puede acercarse a 60. Un planeador de quizás 450 kg de masa (= 4412 N de peso) creará una fuerza de arrastre de solo 74 N, ciertamente a una velocidad mucho más lenta que un A-320.

Para ser más precisos, en un ascenso, el empuje compensará un poco el peso, además de la resistencia, dependiendo del ángulo de ascenso. El empuje necesita crecer en peso.$\cdot$pecado($\gamma$), donde$\gamma$es el ángulo de la trayectoria de vuelo. Si el A-320 tuviera suficiente empuje para levantar todo su peso, podría despegar verticalmente, volando en una actitud vertical con el morro hacia arriba. Los aviones de combate modernos realmente tienen tanto empuje instalado.

Este dibujo muestra un avión trepando. Hay cuatro fuerzas en el trabajo:

1. Levante L (flecha azul)
2. Arrastre D (flecha roja)
3. Empuje T (flecha verde), y
4. Peso m$\cdot$g (flecha negra)

Para un estado recortado, las flechas concatenadas deben formar un trapezoide cerrado (flechas ligeramente sombreadas). Tenga en cuenta que tanto el empuje como la resistencia se dibujan aquí más tiempo en relación con el peso y la sustentación de lo que son en realidad.

Para responder a la parte del por qué se necesitan unas pocas líneas más. La sustentación se crea desviando la corriente de aire sobre las alas hacia abajo . Este cambio en el impulso es sustentación, y crearlo sería libre de resistencia si la envergadura del ala fuera infinita y el aire no viscoso. En realidad, volar provoca estos componentes de arrastre:

1. La creación de ascensores incurre en un pequeño componente que apunta hacia atrás que es mayor a baja velocidad y disminuye con la velocidad. Para ser precisos: este componente de resistencia es proporcional a la carga de la aeronave (peso dividido por la envergadura) y el inverso del cuadrado de la velocidad aerodinámica. Se llama arrastre inducido porque podría calcularse con éxito primero con las mismas ecuaciones que describen la inducción eléctrica.
2. Volar a través del aire causa fricción. Este arrastre por fricción crece casi con el cuadrado de la velocidad del aire y es proporcional a la densidad del aire y el área de la superficie.
3. En el flujo no viscoso, la suma de las presiones alrededor de un cuerpo simplemente se cancelaría. En realidad, la presión en las secciones que miran hacia adelante es normalmente más alta que en las secciones que miran hacia atrás. Este componente de arrastre se llama arrastre de presión y también es proporcional al cuadrado de la velocidad del aire en el mismo ángulo de ataque.

A la velocidad de mejor L/D, la suma de 2 y 3 es igual a 1, y 2 y 3 tienen la misma magnitud para un avión bien diseñado. El vuelo subsónico y supersónico alto agrega un cuarto componente, llamado arrastre de onda, y su inicio es la razón por la cual el A-320 prefiere volar no mucho más rápido que Mach 0.78.

La respuesta de Peter es muy buena, pero para explicar un poco más el "por qué", considere las fuerzas que están en juego. Para que una masa no se acelere en una dirección dada, la suma de las fuerzas que actúan sobre ella en esa dirección debe ser cero (o la masa infinita, lo que genera toda una nueva serie de problemas...) En el caso de una aeronave que está volando, hay 3 categorías importantes de fuerzas a considerar: la gravedad, el empuje y la fuerza de la aeronave que golpea el aire en el que está volando. La última categoría es, por supuesto, la más complicada.

La suma de las fuerzas aplicadas al avión por el aire con el que choca se puede modelar como 3 fuerzas componentes que son todas perpendiculares entre sí: la suma neta de las fuerzas que empujan el avión hacia atrás (arrastre) la suma neta de las fuerzas empujando el avión hacia arriba (elevación vertical) y la suma neta de las fuerzas que empujan el avión hacia la izquierda o la derecha (lo llamaré elevación horizontal). Cuando el avión no gira, la elevación horizontal es cero.

Para mantener una altitud determinada, la sustentación vertical debe ser de igual magnitud que el peso del avión (la fuerza que le aplica la gravedad). Para mantener una velocidad de avance dada, el empuje debe ser de igual magnitud que la resistencia (suponiendo, por simplicidad, que el empuje empuja al avión hacia adelante). Por lo tanto, lo importante a tener en cuenta es que el empuje solo necesita contrarrestar el componente hacia atrás de las fuerzas aplicadas por el aire que golpea la aeronave, no la fuerza total aplicada por el aire que golpea la aeronave. En una aeronave bien diseñada, la componente hacia arriba de la fuerza del aire que golpea la aeronave será mucho mayor que la componente hacia atrás.

Cuando el ala se mueve horizontalmente, el aire produce una fuerza$F$en el ala, y$F$tiene dos componentes,$L$y$D$. Debido a que el ángulo de ataque del ala es generalmente mucho menor que$45$grados,$D$también es mucho más pequeño que$L$. Dado que el empuje de la aeronave solo se equilibra con$D$. Por lo tanto, con un pequeño empuje, una gran fuerza$L$se puede generar,$L$se puede utilizar para equilibrar el peso de la aeronave.

¿Hay un equivalente invisible a los engranajes en el trabajo aquí?

Sí, las áreas de sustentación del ala (superior e inferior) son mucho mayores que el área de arrastre frontal que se presenta en la dirección del vuelo.

Eche un vistazo a los gráficos de elevación frente a ángulo de ataque publicados en las respuestas a esta pregunta.

Notará el gran aumento en la elevación que alcanza un máximo de alrededor de 11 grados. Esta sustentación proviene de la parte superior del ala con muy poco costo para aumentar la resistencia como resultado de la curvatura del flujo de aire y la menor presión sobre el ala.

En ángulos de ataque más altos, mayores que la entrada en pérdida, la sustentación y la resistencia (arrastre = empuje para velocidad constante) siguen fielmente su relación lineal: a 45 grados se obtiene sustentación, pero con una resistencia mucho mayor.

Otro elemento que vale la pena mencionar, además de la "relación de transmisión" del área, es el efecto de la "capa límite" adherida a la aeronave, moviéndose con ella. Mientras no se vuelva excesivamente turbulento, actúa como una "grasa", reduciendo aún más los requisitos de empuje debido a la resistencia.

La sustentación es mayor que el empuje porque para un avión capaz de volar se puede demostrar experimentalmente (en un túnel de viento) que Ascensor_constante > Arrastre_constante.

Las fórmulas para sustentación y arrastre son:

1) Elevación = Peso = Elevación_constante x Densidad x Referencia_superficie x V^2

2) Arrastre = Empuje = Arrastre_constante x Densidad x Referencia_superficie x V^2

De 1 y 2 se sigue que:

Elevación = (Elevación_constante / Arrastre_constante) x Empuje

Si el avión está construido de tal manera que Lift_constant / Drag_constant > 1 entonces Lift > Thrust, de lo contrario no lo es.