primera pregunta aquí, ¡así que por favor sea amable!
Estoy leyendo un libro de curso de ingeniería de nivel básico y actualmente estoy discutiendo sobre el diseño de aeronaves.
Hay una afirmación en particular que no me queda clara:
Girar con el ala nivelada es aerodinámicamente ineficiente y el ala interior pierde mucha sustentación porque se mueve con relativa lentitud en el aire.
¿Significa esto que, para una máxima eficiencia de sustentación, un ala tiene que estar nivelada horizontalmente? Entiendo que la presión hacia arriba debajo del perfil aerodinámico es mayor que la presión hacia arriba que presiona hacia abajo, entonces, ¿cómo cambia la presión hacia arriba debajo del perfil aerodinámico cuando un avión está girando? ¿Aumenta la presión hacia abajo?
La sustentación es una función de la velocidad del aire desde el borde de ataque hasta el borde de salida. En un giro plano, el ala interior se mueve más lentamente que el ala exterior, por lo que habrá una diferencia en la cantidad de sustentación producida.
Pero, de hecho, un avión no puede cambiar de dirección haciendo un giro plano de esta manera. Rodar hacia el giro mediante el uso de los alerones es la forma en que gira un avión. Esto hace que parte de la sustentación se dirija hacia el giro y se use para tirar del avión alrededor del giro. Piensa en vectores.
El ala interior más lenta aún producirá menos sustentación y el timón se usa para compensar la tendencia a deslizarse aún más en el giro. El elevador se usa para aumentar el ángulo de ataque nuevamente para compensar la disminución de la sustentación vertical en el giro. El ángulo de ataque es el ángulo que forma el ala con respecto al flujo de aire. Un mayor ángulo de ataque a la misma velocidad crea más sustentación. A un punto.
Hay un hermoso libro sobre el tema de la aerodinámica, Stick and Rudder .
O el libro que estás leyendo no es muy inteligente sobre cómo funcionan los aviones, o lo estás leyendo mal.
Normalmente, la forma en que gira un avión es la misma que hace para girar una bicicleta, una motocicleta o un bote de alta velocidad. Ladeas o inclinas el vehículo en la dirección en la que quieres ir. Dado que siempre tiene un vector de fuerza de sustentación que sube por el centro del vehículo, al inclinar el vector de sustentación, está utilizando parte de él para acelerarlo hacia un lado. Eso te pone en un camino circular. (Esto se ve en las películas sobre vuelo, donde los ases giran y giran constantemente).
Puedes girar un avión sin inclinarlo. Si mantienes las alas niveladas y simplemente le das el timón a la izquierda, eso gira la nariz hacia la izquierda, lo que presenta el lado derecho del avión al viento. Sientes esto como una fuerza lateral. Esa fuerza lateral hace que el avión viaje en un arco hacia la izquierda. Sin embargo, esa fuerza es mucho más débil que si simplemente ladeas el avión. De hecho, esa maniobra se llama derrape , al igual que derrapar un automóvil.
Hay maniobras violentas que requieren un entrenamiento avanzado en las que partes de la superficie del ala pueden entrar en pérdida, o algunas partes entrar en pérdida más que otras, como giros y giros rápidos .
Los aviones utilitarios normales (no acrobáticos) tienen alas ligeramente inclinadas hacia arriba ( ángulo diedro ). En tal avión, si simplemente aplica el timón izquierdo y nada más, gira la nariz hacia la izquierda y gira la punta del ala derecha hacia adelante en el viento relativo. Dado que está inclinado hacia arriba, el viento se mete "debajo" y lo empuja hacia arriba, lo que lo coloca en un banco. Entonces, si simplemente aplica el timón izquierdo, el avión se inclinará, que es la mejor manera de girar. (Además, una cierta cantidad de ángulo de barrido hacia atrás de las alas hará eso).
(Curiosamente, si se encuentra en una situación de sustentación negativa, como un bucle externo o un vuelo invertido, para girar a la izquierda, en su marco de referencia personal, debe inclinarse hacia la derecha, lo cual tiene sentido cuando comprende que el vector de sustentación está invertido .)
Algo a tener en cuenta es la diferencia entre cambiar la dirección en la que apunta la aeronave y cambiar la dirección en la que se mueve la aeronave . En vuelo recto y nivelado, puede pisar el timón y hacer que el morro apunte 5 o 10 grados con bastante rapidez de donde estaba. Pero (al menos inicialmente) no habrá cambiado la dirección en la que se mueve el avión. Se deben aplicar fuerzas a la aeronave durante un período de tiempo para que cambie su dirección de movimiento. Con mucho, la fuerza más grande que el piloto puede controlar es la cantidad de sustentación producida por el ala, razón por la cual los giros normalmente se realizan utilizando la sustentación del ala.
Con respecto a la diferencia de velocidad sobre las alas, hagamos algunos números y veamos:
Girar 3 grados por segundo significa que las puntas de las alas tienen una diferencia de velocidad de tan(3 grados)/seg * 10 m, que es 0,52 m/s o 1 %. Incluso con el hecho de que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica (por lo que la sustentación en las puntas de las alas difiere en un 2 %), este sigue siendo un efecto bastante pequeño e insignificante en maniobras de crucero como esta.
Donde las cosas se vuelven más interesantes es con velocidades más bajas y velocidades de giro más altas (por ejemplo, durante una aproximación al aterrizaje, con el último giro de 90 grados en la aproximación final). Si la velocidad aerodinámica es de 60 nudos (0,6 veces la anterior) y la velocidad de giro es de 90 grados en 6 s (es decir, 15 grados/s o 5 veces la anterior), entonces la diferencia de velocidad aerodinámica entre las puntas de las alas será unas 8,3 veces mayor o un 4,4 % según a siendo la sustentación una función cuadrática de la velocidad, esto indica una diferencia del 9 % en la sustentación y, de hecho, más cerca de la velocidad de pérdida como esta, la curva de sustentación frente al ángulo de ataque no es lineal y aumenta aún más el efecto.
Supongo que el mecanismo de giro hipotético es apagar el motor en el ala interior y encender el motor en el ala exterior a toda velocidad. Esto funcionaría, en principio, aunque es una forma realmente tonta de hacer girar un avión. Producirás un par en el cuerpo, porque el empuje en las dos alas está desequilibrado, y producirás este par incluso si el avión está perfectamente nivelado.
Este método no requiere que el avión disminuya la velocidad, y la sustentación en el ala interior no es significativamente menor, por lo que no puede responder por qué es menor. Pero esta sigue siendo una forma tonta de hacer girar un avión.
Cuando inclinas un avión y usas el componente horizontal del vector de sustentación para girar el avión, el componente vertical disminuye muy levemente y es mejor pensar que no cambia en absoluto. La razón es que las rotaciones se parecen mucho a la relatividad: la rotación en ángulos pequeños es casi indistinguible de una inclinación.
Si tienes una barra vertical de 10 metros de largo y la inclinas para que se incline en la parte superior 10 cm, o 1 %. ¿Cuánto más corta es la barra? La respuesta es por .00005 por ciento, o la mitad del cuadrado del cambio horizontal fraccionario. Esto es cero para todos los efectos, de la misma manera que la contracción de Lorentz o dilatación del tiempo es insignificante para moverse al 1% de la velocidad de la luz.
Esto significa que puede girar un avión esencialmente sin pérdida de sustentación, simplemente tomando el vector de sustentación vertical y tomando parte de él y convirtiéndolo en un tirón de giro horizontal con apenas cambios en el componente vertical. No existe una ley de conservación para la suma de los componentes del vector (solo para los cuadrados).
Jorge
mike dunlavey