¿Puede el arrastre inducido ser negativo?

Para un avión en vuelo recto y nivelado, la resistencia inducida por sustentación es la componente horizontal de la fuerza perpendicular a la cuerda del ala. Los perfiles aerodinámicos curvados positivamente generan sustentación a partir de pequeños ángulos de ataque negativos. Entonces, ¿podría la componente horizontal de la fuerza generada por el ala apuntar hacia adelante?

Diría que la resistencia inducida es el componente horizontal de la fuerza neta, que puede no ser perpendicular a la cuerda del ala.
Si explora el concepto de la "distribución de sustentación en forma de campana" y cómo reduce la "guiñada adversa", creo que encontrará ejemplos de una punta de ala que crea empuje en lugar de arrastre, no estoy seguro de cómo funciona exactamente.
Después de revisar las respuestas, creo que la falla en mi pregunta es que la fuerza aerodinámica total no es perpendicular a la cuerda del ala.
En KSP, si las alas son demasiado pequeñas y la cola proporciona fuerza, sí, la flecha azul apuntará hacia adelante en lugar de hacia arriba y hacia atrás, y entonces has diseñado un avión que hace lo contrario a la derecha.

Respuestas (6)

¿Puede el arrastre inducido ser negativo?

No para la configuración completa, sino para partes de ella.

La resistencia inducida es parte de la fuerza de reacción cuando se desvía una corriente de aire. Esta fuerza de reacción se divide en un componente, llamado sustentación, ortogonal a la dirección inicial del flujo y otro paralelo, llamado arrastre.

Independientemente de la elevación hacia arriba o hacia abajo, esta definición solo dará como resultado un arrastre positivo. El arrastre inducido más bajo posible es cero cuando se crea una fuerza de reacción cero. Cualquier fuerza de reacción distinta de cero crea un arrastre positivo.

Para un experimento mental, dividamos la desviación en pequeños segmentos, cada uno de los cuales desvía la corriente un poco más. La cantidad inicial de deflexión casi no crea arrastre. El siguiente bit, sin embargo, ya comenzará con una pequeña desviación y le agregará su bit. En relación con la dirección inicial del flujo, aquí el flujo ya tiene un ángulo y la fuerza de reacción, siendo ortogonal al ángulo del flujo local, ya tendrá un arrastre positivo. Cuanto más abajo vayamos ahora, cada sección agregará más arrastre. La componente de arrastre de la fuerza de reacción nunca será negativa.

La única situación en la que la resistencia inducida local es positiva es cuando el flujo local golpea la superficie que crea sustentación, de modo que doblar el flujo lo acerca a su dirección inicial de flujo. Esto es posible en la cola horizontal de un diseño convencional longitudinalmente muy estable que crea una carga aerodinámica y vuela en la corriente descendente del ala.

Gracias. En los diagramas que muestran los vectores de presión sobre el ala, algunas de las flechas apuntan hacia adelante, pero la mayoría apunta hacia atrás. La fuerza total siempre apunta hacia atrás. Creo que el defecto de mi argumento original es que la fuerza aerodinámica total no es perpendicular a la cuerda del ala.
@JamesJames Si dejamos fuera la fricción, en un flujo totalmente supersónico y separado, la fuerza aerodinámica total es, de hecho, perpendicular a la cuerda del ala. Solo el flujo subsónico adjunto tiene un empuje de borde de ataque que hace que la fuerza sea casi perpendicular a la dirección del movimiento.

Por definición, la resistencia es una fuerza que frena la aeronave. Es el componente de todas las fuerzas aerodinámicas que se encuentra paralelo a la trayectoria de vuelo de la aeronave. Así entendido, de esta forma, NO, nunca puede ser negativo. Si fuera negativo, sería empuje, no arrastre.

Esto pierde el punto de la pregunta. Llamemos a esta fuerza hipotética "empuje inducido por sustentación". La pregunta sigue siendo, ¿podría existir?
Bueno, supongo que no fui lo suficientemente claro, o tal vez la conexión lógica fue un salto demasiado grande para algunos. Debido a que la resistencia se define como el componente de TODAS las fuerzas aerodinámicas que se encuentran paralelas a la trayectoria de vuelo (o viento relativo), no puede ser negativa. ¡La suma de todas las fuerzas creadas por el viento relativo DEBE estar en la dirección hacia atrás, hacia atrás! Simplemente porque la velocidad del aire que empuja hacia atrás en la parte delantera de todas las superficies de la aeronave es mayor que la velocidad del viento relativo que empuja hacia adelante en la parte trasera de la aeronave. Hubiera pensado que eso era obvio.
A menos que desee definir arbitrariamente DRAG como un subconjunto de todas las fuerzas aerodinámicas que no incluye algunas de las fuerzas que empujan la parte delantera del fuselaje.
Mi pregunta era sobre la resistencia inducida por la sustentación, pero usted está hablando de la resistencia total.
Lo entiendo, pero en realidad, el arrastre "inducido por elevación" es una abstracción artificial que surge de un análisis simplista. La sustentación no es solo desde el ala. TODAS las fuerzas aerodinámicas son tanto de elevación como de arrastre. El Ascensor es la parte que se encuentra perpendicular al viento relativo, y la parte Arrastre es la parte que es paralela al viento relativo. ¿Importa que la fuerza sobre el fuselaje provenga del viento relativo que empuja la parte inferior del fuselaje? El F-14 generó un componente significativo de su sustentación total desde la cavidad entre las góndolas del motor. ¿Debería incluirse eso?
En apoyo de su punto, se podría argumentar (aunque nunca he escuchado esto), que la resistencia "inducida" debe definirse como aquellos componentes de la resistencia total que aumentan a medida que aumenta el AOA (con suerte, limitándolo a esas fuerzas aerodinámicas generadas por el ala, que se inclina más hacia atrás a medida que aumenta el AOA), pero, ¿adivina qué? eso también sucede con casi todas las fuerzas en el fuselaje.
Para reformular mi pregunta original, considere un perfil aerodinámico en un túnel de viento, comenzando en un AOA que no genera sustentación. La pregunta es: ¿es posible que un pequeño aumento en AOA pueda aumentar la sustentación mientras disminuye la resistencia?
Entiendo lo que intentas preguntar. Y la respuesta es No. TODAS las fuerzas aerodinámicas actúan de manera normal a la superficie local del perfil aerodinámico. Por lo tanto, CUALQUIER aumento en el AOA hará que el vector de fuerza local que empuja en cada punto de la superficie del perfil aerodinámico apunte más hacia atrás (el perfil aerodinámico se inclina hacia atrás para aumentar el AOA). Cuanto más a popa apunte, hasta que entre en pérdida, mayor será la componente paralela al viento relativo...
Estos dos últimos comentarios son todo. Eso es todo lo que hay que decir. Haga la "reformulación" 2 en la pregunta y el comentario de Charles justo encima de la respuesta. Borra todo lo demás. Solo mi opinión (y no para quitarle algunas buenas respuestas), pero hay muchas cosas extrañas aquí que realmente no ayudan ...

Para un avión en vuelo recto y nivelado, la resistencia inducida por sustentación es la componente horizontal de la fuerza perpendicular a la cuerda del ala.

Ninguna respuesta ha señalado explícitamente que esta definición de "arrastre inducido" es incorrecta. Sería interesante saber dónde lo encontraste. En vuelo horizontal, la resistencia inducida por sustentación es la componente horizontal de la fuerza neta generada por el ala .

Creo que ha identificado correctamente el error en mi argumento original. La fuerza aerodinámica total no es perpendicular a la cuerda del ala.

No en aeronaves de ala fija, pero esto sucede con aeronaves de ala giratoria y es el principal mecanismo impulsor de la rotación automática. La sección de una pala de rotor conocida como región impulsada tiene una fuerza de elevación efectiva inclinada en la dirección en que gira el rotor, impulsando las palas del rotor por medio del aire que se mueve a través del disco del rotor.

La autorrotación funciona más o menos de la misma manera que el planeo en aviones de ala fija. El arrastre inducido en las palas está hacia atrás en la dirección del viento relativo, solo que el elevador en sí está lo suficientemente inclinado hacia adelante para mantener la autorrotación.
… potencialmente podría decir que el poder inducido es negativo (dependiendo de la definición; no estoy seguro de eso), pero no puede decirlo sobre el arrastre inducido de las cuchillas individuales.

Abordemos esto desde otra dirección.

Suponga que es posible encontrar una posición de ala que genere empuje en lugar de arrastre. El empuje o arrastre es una cuestión de flujo de aire sobre la superficie, para generar empuje debemos tener un flujo de aire neto hacia adelante. Coloque un sensor de velocidad del aire indicado en frente del ala, ¿qué dice? Negativo.

¿Puede un avión volar hacia atrás? No, se estancaría. Por lo tanto, nuestra premisa inicial debe estar equivocada: es imposible tener un empuje neto del fuselaje en general. (Es posible tenerlo para parte del fuselaje.)

Esta respuesta pierde la distinción entre la resistencia inducida por sustentación y la resistencia parásita. En un ángulo de ataque que no genera sustentación, habrá una resistencia parásita. Pero al aumentar un poco el ángulo de ataque y generar una pequeña cantidad de sustentación, ¿podría crearse una pequeña fuerza de succión hacia adelante? ¿Cuál reduciría la resistencia total, aunque la resistencia neta se mantuviera al revés? Esa es la pregunta.
@JamesJames leyó sobre veleros (en realidad usan 2 fluidos de trabajo, aire y agua, para generar "arrastre negativo"). Algunas personas por aquí se vuelven locas por la investigación básica. Para ellos, si no parece un avión, no se trata de aviación.
@RobertDiGiovanni Los veleros son un caso diferente, tienes dos fluidos con propiedades muy diferentes. Dado que esto es "Aviación", asumiría que se aplica a las embarcaciones completamente en el aire.
@LorenPechtel "Dos fluidos con propiedades muy diferentes" que producen una fuerza de avance. Creo que JamesJames está en el camino correcto. Recomendaría estudiar polares en airfoiltools.com. En ángulos de ataque más bajos (antes de la entrada en pérdida), con suficiente número de Reynolds y camber, la fuerza de avance desde el pico de succión superior produce suficiente "arrastre" para que el arrastre neto sea mucho menor, lo que produce unas proporciones de elevación a arrastre bastante impresionantes.
@RobertDiGiovanni, el agua no produce fuerza hacia adelante en un velero. ¿Cómo puede?
@MichaelHall (y Loren Pachtel) se trata de flujo sobre una superficie local en relación con la dirección de viaje de las embarcaciones. Un fuselaje descentrado puede producir una fuerza de sustentación, ¡al igual que una hélice!
Consulte la referencia del velero .
Gracias @RobertDiGiovanni, cuando hice mi pregunta tenía en mente el Blackbird, un vehículo que puede viajar en ceñida y en popa más rápido que el viento. en.wikipedia.org/wiki/Blackbird_(wind-powered_vehicle)
@JamesJames El mirlo funciona en aire frente a tierra, no en aire puro. Solo estoy hablando de un ambiente de aire puro.

La comprensión de la relación entre la resistencia y el empuje en el diseño de aeronaves es crucial para el desarrollo de aeronaves eficientes que ahorren combustible.

Desde la referencia de la aeronave, el empuje es la fuerza hacia la línea de vuelo, la resistencia es la resistencia (desde el aire) a esta trayectoria. Debido a que son directamente opuestos linealmente, empuje = - arrastre es matemáticamente correcto y se puede derivar de la fórmula de estado estacionario empuje + arrastre = 0.

Darse cuenta de esta relación (simple) puede ayudar a explicar otros fenómenos, como la "autorotación", la resistencia neta extremadamente baja de las superficies aerodinámicas, los beneficios de los listones y (juntándolos todos), el diseño de las aves en vuelo.

Todos los planeadores buscan encontrar una corriente ascendente mayor que su velocidad de descenso. El ala ancha y muy combada del águila es exactamente lo que emulan los aviones de pasajeros cuando se preparan para aterrizar, lo que les permite reducir la velocidad a alrededor de 1/3 de su velocidad de crucero.

Pero, ¿qué pasa con las puntas de las alas ranuradas? ¿Podrían estar usando la corriente ascendente para proporcionar empuje ? Esto parece funcionar bastante bien para los helicópteros que giran automáticamente , así que...

Al alejar el viento relativo de la trayectoria de vuelo , la resistencia en una parte de la aeronave puede producir una fuerza de empuje (resistencia negativa) en la línea de vuelo. Esto se logra produciendo un componente de sustentación horizontal localizado en la línea de vuelo.

Es importante destacar que, para preservar las definiciones estrictas, el arrastre se opone al empuje, pero la sustentación localizada del arrastre inducido puede producir una fuerza de empuje en la dirección del vuelo.

Ahora, para llegar al punto de la pregunta, el Blackbird , y navegar contra el viento en general, la clave es extraer energía mecánica de una fuerza de arrastre y usarla para crear una fuerza de empuje más eficiente en la dirección de viaje .

Volver a empujar = - arrastrar

Agreguemos:

empuje = -arrastre × eficiencia de conversión

El modelo más simple sería un anemómetro. La energía mecánica se extrae por la diferencia en el coeficiente de arrastre entre el extremo cerrado y abierto de una copa. Podrías hacer un mirlo usando un anemómetro gigante, y rodaría en cualquier dirección cuando hubiera suficiente viento.

con el viento, más rápido que el viento

Un poco más desafiante. Ahora podemos tomar la energía extraída y usarla para hacer girar una superficie aerodinámica giratoria , una hélice. Los perfiles aerodinámicos pueden generar muchas veces más fuerza de sustentación por unidad de arrastre.

Así que recurrimos a los barcos de hielo, que pueden navegar fácilmente más rápido que el viento al minimizar la resistencia . La entrada de energía del viento es amplificada por el perfil aerodinámico de la vela, creando una fuerza de empuje que "se escapa" hasta que la resistencia total (de toda la nave) = empuje (estado estable).

La propulsión Blackbird parece ser una forma de "autorotación" (con la parte interior de la pala de la hélice absorbiendo la energía de arrastre y la parte exterior levantándose).

Vaya, ¿vas a hacer que empiece a pensar de nuevo en vehículos más rápidos que el viento a favor del viento? ¿Debo bloquear la próxima semana de mi vida en mi calendario? Solo di no--
Aparentemente, se ha hecho.
¿Puede el arrastre inducido ser negativo?
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