¿Por qué los modelos de aviones vuelan y maniobran de forma tan diferente a los aviones reales?

Es en parte inherente a la forma en que escalan las cosas.

Si duplica el largo del modelo, entonces el área del ala (largo por ancho) aumenta por un factor de 4, pero el peso y el volumen (largo por ancho por alto) aumentarán por un factor de 8... así que duplicar el el tamaño significa reducir a la mitad la relación peso-levantamiento.

En los casos más extremos, un modelo diminuto volará con una ráfaga de viento, y un modelo enorme (más grande que el avión real) no podrá despegar en absoluto.

Supongo que, teóricamente, podría intentar hacer que los modelos pequeños sean más difíciles de volar, agregando peso adicional.

Lo anterior es teóricamente cierto pero puede que no tenga sentido en la práctica: asume que los materiales estructurales se vuelven más delgados cuando se escala el modelo, en realidad la estructura ni siquiera es del mismo material.

Así que veámoslo de otra manera:

• Un A380 a gran escala pesa digamos 500 toneladas , una longitud de unos 70 metros .

• Disminuya eso al modelo de 1 metro y el área de la superficie ha disminuido en (70x70=) 5000 .

• Entonces, para que el modelo tenga el mismo peso por área que el avión a escala completa, debería pesar (500 toneladas / 5000 =) 100 kg .

Su modelo de 1 metro presumiblemente pesa mucho menos de 100 kg, por lo tanto, tiene una relación peso-área mucho menor. QED.

También es importante tener en cuenta el número de Reynolds , que depende de la viscosidad y la densidad del aire, y del tamaño y la velocidad del modelo. El número de Reynolds afecta la turbulencia, que es muy importante para la sustentación de un ala (para ver un ejemplo de cómo incluso un pequeño cambio tiene un gran efecto, consulte ¿Puede una capa de hielo del grosor de un papel de lija reducir la sustentación en un 30 por ciento y aumentar la resistencia hasta en un 40 por ciento? ? ).

Para obtener el número de Reynolds correcto para un modelo pequeño, debe aumentar la densidad (por ejemplo, la presión) del aire o aumentar su velocidad. Pero dada la velocidad normal de los aviones, no se puede aumentar (escalar) la velocidad del aire porque se volvería supersónico, lo que cambiaría el escenario.

Según esta respuesta a 'Comprender el problema de escalado del número de Reynolds' y los comentarios debajo, creo que un modelo de 1 metro de un A380 de 70 metros (es decir, una escala de 70: 1) podría comportarse como el completo. modelo a escala si fuera volado bajo las siguientes condiciones:

• la densidad del aire aumenta, por lo que 70 atmósferas de presión de aire
• la elevación y el arrastre se reducen, por lo que:
  • el peso del modelo es de 7 toneladas (en lugar de 500 toneladas)
  • El empuje del modelo es de 4.000 lb (en lugar de 300.000 lb), es decir, unas 2 toneladas
• la velocidad del aire es realista (por ejemplo, 150 nudos para despegar)

Obviamente, esto sería bastante inusual para un modelo de avión ¹ .

¹ _{El aire se licua a 60 atmósferas; y el modelo necesitaría una densidad específica de alrededor de 100, es decir, 5 veces más pesado que el oro o el uranio).}

Los modelos de aviones generalmente se construyen con una carga alar mucho más baja y una relación potencia / peso mucho más alta. Esto se puede hacer parcialmente porque no tienen una carga útil real y no tienen que volar durante mucho tiempo.

Tener un avión que tiene una carga más ligera y tiene más potencia da como resultado los rasgos que mencionas. Además, ser más ligero significa que las ráfagas de viento y otras turbulencias tendrán un mayor impacto y darán como resultado cambios de dirección más rápidos.

También debo señalar que la potencia adicional y la carga alar más baja son deseables en un modelo porque un piloto remoto no tiene la misma instrumentación y entrada sensorial física que se obtiene al estar en el avión y ayuda a volar con seguridad más cerca de los límites de la aeronave.

Las leyes de la física no son invariantes a escala.

El área se escala con el cuadrado de la dimensión, mientras que el volumen se escala con el cubo de la dimensión. Los efectos aerodinámicos escalan aproximadamente con el área. La masa escala aproximadamente con el volumen. Balanzas inerciales con masa. Escalas de momento de inercia con dimensión de masa por tiempo.

El resultado final de esto es que los modelos tienen efectos aerodinámicos mucho más fuertes en comparación con su inercia. Esto los hace mucho más ágiles que sus contrapartes del mundo real. OTOH, los aviones del mundo real generalmente pueden volar más rápido y más lejos y tienen un mejor consumo de combustible por tonelada-milla.

No estoy seguro de si solo está preguntando sobre la física involucrada, así que espero que esto no sea demasiado tangencial, pero un factor que realmente no se ha tocado mucho es la información del piloto.

Además de lidiar con las influencias perturbadoras que la gente ya ha mencionado, el piloto de un modelo tendría que ignorar su capacidad de maniobra real y usar mucha moderación: entradas de control muy, muy pequeñas y precisas, aceleración innecesariamente lenta, etc. - lograr un comportamiento de vuelo a escala convincente.

Con ese enfoque (y en condiciones súper tranquilas), creo que se sorprendería de lo que se puede lograr con modelos grandes: probablemente haya visto el trabajo de modelos controlados por radio en películas sin darse cuenta. Sin embargo, fuera de aplicaciones como esa, debe haber una fuerte tentación solo para mover el modelo, ¡porque volar es divertido!

Por supuesto, es poco probable que veas muchos modelos volando en las películas ahora, ya que las máquinas voladoras son una de las cosas que es bastante fácil de renderizar de manera convincente usando CGI. Pero para un poco de contexto histórico, aquí hay una galería pequeña pero interesante que presenta algunos de los modelos de aviones de la película La batalla de Gran Bretaña , que se destacó por su excelente trabajo de modelo (considerando que se hizo en los años sesenta).

http://www.daveswarbirds.com/bob/modelos.htm

Depende del piloto también. He visto a un tipo volar un modelo de Piper Cub de 5 pies de envergadura como si fuera real. Carrera de despegue mucho más larga de lo necesario (para el modelo) con la cola levantada, retenido el acelerador para simular la velocidad a escala, voló el patrón para el aterrizaje y lo rodó. Muy bonito vuelo. Pero podría haberlo hecho como la descripción del OP.

Vea esta discusión muy relevante sobre Space.SE: ¿Puede un Saturno V en miniatura llegar a la luna y regresar?

El problema de la escala del cubo cuadrado ya se mencionó en otras respuestas, pero otro factor importante será que el número de Reynolds del aire no escala con el modelo. Puede pensar en esto como que el aire es más viscoso desde el punto de vista de la nave de menor escala , lo que aumenta la resistencia sin proporcionar ninguna sustentación adicional (Gracias a Vladimir F en los comentarios por las correcciones) .

La mayoría de las respuestas anteriores son correctas, solo estoy tratando de poner esto en palabras de los laicos.

La construcción de un avión requiere un ajuste fino de la forma, la composición del material, los volúmenes, las masas, las áreas de varios elementos como el cuerpo, las alas, las superficies de control, los motores, etc. Ahora piense en todos estos elementos optimizados para el avión a escala real, de modo que puede volar perfectamente en las condiciones aerodinámicas para las que está diseñado, a saber, la velocidad del aire (que implica la distancia ), la densidad del aire (que implica el volumen ), la sustentación, la resistencia (que implica el área ) y el peso (que implica la masa ). Todo esto es fruto de la ingeniería aeronáutica y de las ecuaciones de la mecánica de fluidos.

Ahora, como se señaló anteriormente, cuando se escala la distancia , las áreas , los volúmenes y las masas se escalan de manera diferente. En particular, el área va con la distancia ^ 2, el volumen con la distancia ^ 3. La masa va más o menos con el volumen, pero depende de los materiales de los que estará hecho el modelo de avión, que probablemente sean diferentes de los que está hecho el avión real.

Entonces se vuelve obvio que el modelo de avión reducido opera en condiciones aerodinámicas completamente diferentes a las del avión real. De ahí las características de manejo radicalmente diferentes.

El modelo a escala vuela con todo su potencial, pero mientras que el modelo real sigue los estándares globales de las aerolíneas en cuanto a seguridad, vuelo y maniobras en sus zonas de seguridad.

No queremos que nuestro piloto de línea aérea tome giros bruscos solo porque el avión podría, ¿verdad?

Hoehne y Swapnil ya señalaron que cuando el modelo es capaz de realizar maniobras sobresalientes no significa que el piloto deba realizarlas.

Los modelos, sean del modelo que sean, son más ágiles gracias a una mayor relación potencia/peso y motores más ágiles. Los retrasos entre el ralentí y el acelerador a fondo para las embarcaciones reales son mucho más largos que los retrasos para los motores modelo.

Otra diferencia está en la relación volumen (masa)-área, no es constante. Esto permite que el modelo de avión vuele con velocidades más lentas.

Además, el área efectiva de flaps y timón es diferente para modelos y embarcaciones reales. Y sus ángulos de deflexión son mayores para los modelos de aviones que para los reales.

Para construir un modelo factible, debe modificar la posición del centro de masa. Si reduce todo, el avión no podrá volar en absoluto.

El modelado, en el sentido científico, es un problema real y no trivial y se debe ser extremadamente cauteloso para extrapolar los datos del modelo (reducidos a escala) a problemas reales (reducidos a escala). Y la hidrodinámica y la aerodinámica son las más difíciles de todas.