¿Qué causa que la pelota no esté centrada en un resbalón/derrape?

Es lo mismo que te hace deslizarte de lado en tu asiento al doblar una esquina en tu auto.

O lo mismo que haría que usted se deslizara hacia el otro lado si estuviera conduciendo en línea recta en una colina lateral.

No lo pienses demasiado... la pelota simplemente responde a las mismas fuerzas que sientes.

APÉNDICE:

“Estoy de acuerdo en que las comparaciones son acertadas si solo está considerando un giro coordinado, pero estoy preguntando acerca de un giro nivelado constante en el que la aeronave se desliza o patina; a lo que no creo que la comparación pueda extenderse fácilmente?”

En realidad creo que es al revés. Considera lo siguiente:

• COCHE - A menos que esté viajando en una pista peraltada, a la velocidad precisa para la que se diseñó el giro peraltado, un automóvil nunca podrá hacer un "giro coordinado". Por lo general, siempre habrá una fuerza lateral centrífuga.

• AVIÓN : una vez que se ha contrarrestado el desvío adverso al inicio del viraje, y cuando se establece en un ángulo constante de viraje lateral, la mayoría de las aeronaves (positivamente estables) realizarán por defecto un viraje coordinado.

En caso de que ayude más, llevemos el "giro descoordinado" de la aeronave a un par de extremos lógicos:

1. Alas niveladas, viraje no inclinado, usando solo timón. Piense en esto en comparación con girar un automóvil en un terreno nivelado. Este es un giro de derrape exagerado, con toda la fuerza centrífuga tirando de ti (¡y de la pelota!) horizontalmente o hacia los lados.

2. De frente, vuelo nivelado en deslizamiento lateral. El morro de la aeronave sigue recto y no gira, mientras que las alas están inclinadas. Este es un giro de deslizamiento exagerado (menos un giro en realidad...) y es como el ejemplo de conducir su automóvil en una colina lateral. En este caso, la gravedad te está empujando a ti (¡ya la pelota!) verticalmente hacia abajo, lo que desde el marco de referencia de la aeronave está un poco hacia los lados.

La pelota es un instrumento "tonto". Nada más que una bola en un tubo que reacciona a la fuerza centrífuga y la gravedad. Puede lograr lo mismo sosteniendo un vaso lleno de agua entre las rodillas: si la rodilla interna se moja, es un giro resbaladizo, si la rodilla externa se moja, es un giro derrapante.

Si estas explicaciones son inadecuadas, lo único que queda por sugerir es que busque una escuela de vuelo local que ofrezca vuelos de orientación y pida al piloto que le haga una demostración.

Si esa sugerencia no es práctica o económica, intente este sencillo experimento: Consiga un tazón redondo para mezclar y una canica. El recipiente redondo simula la curva del tubo de vidrio. Coloque la canica en el recipiente y sosténgala con los brazos extendidos y comience a girar en su lugar. (Si cree que puede marearse y caerse contra los muebles, ¡use un casco!) Su objetivo es ajustar el ángulo del cuenco para mantener la canica en el centro. Tenga en cuenta que si inclina demasiado el tazón en cualquier dirección, la canica comenzará a enrollarse por los lados.

No es una comparación perfecta porque no simula la guiñada, pero ¿puedes apreciar la correlación? Por favor, hágamelo saber si se necesita más explicación...

Una respuesta simple: la pelota se ve obligada a moverse a lo largo de un arco en un plano. Imaginemos el centro de ese arco como el punto donde se aplica la resultante de la suma de las fuerzas gravitacional e inercial. Ahora, proyectas esa resultante en el plano de ese arco. La intersección del arco y la resultante proyectada es exactamente donde reposa la pelota, en cualquier momento o circunstancia...

Suponga que la aeronave está tratando de realizar un viraje constante, nivelado y coordinado. Si el avión se desliza, el exceso de fuerza lateral hacia afuera (${\bf L}_{slip}$) se generará. Para estar coordinado, se debe disminuir el ángulo de alabeo o aumentar el timón en el giro.

Debido a que la pelota se posicionará de tal manera que sea normal a la suma de las fuerzas externas en un giro coordinado (aquí simplemente el vector de sustentación$\bf L$, debe sentarse en el centro, en un giro coordinado (similar a un giro peraltado en un automóvil donde la fuerza normal aplicada por el camino reemplaza la fuerza de sustentación).

En un resbalón, la pelota estará a la izquierda del centro porque descansa en el punto donde la superficie es normal al vector de sustentación requerido para un giro coordinado con el mismo radio de giro y velocidad aerodinámica (equivalente a la suma del vector de sustentación$\bf L$y${\bf L}_{slip}$) como se indica en el diagrama.

El viejo adagio "pisar la pelota" se aplica aquí.

Los siguientes diagramas deberían ayudar a aclarar:

La bola está descentrada en un resbalón o derrape porque el ángulo de alabeo es "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad del aire y, por lo tanto, la resultante de la "fuerza centrífuga" más el peso no apunta "directamente hacia abajo" en el marco de referencia de la aeronave.

Si bien es cierto, esta declaración no es muy útil desde el punto de vista de un piloto, ya que normalmente no variamos el ángulo de inclinación sin cambiar también la velocidad de giro, por lo que normalmente no intentaríamos centrar la bola ajustando el ángulo de inclinación. . (Una excepción sería si estamos realizando un giro de velocidad estándar con referencia a un indicador de velocidad de giro o un coordinador de giro, especialmente si estamos usando la antigua técnica de "velocidad de bola de aguja", donde se aconsejaba a los pilotos que mantuvieran el velocidad de giro constante con el timón, mientras usa los alerones para centrar la bola de deslizamiento-derrape.) ¹

Una declaración exactamente equivalente, pero más útil, es que la pelota está descentrada siempre que la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave tenga un componente lateral en el marco de referencia de la aeronave, en lugar de actuar "hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave. .

Tenga en cuenta que la fuerza "centrífuga" de la que estamos hablando aquí es en realidad una pseudofuerza . Es la fuerza de inercia aparente generada por el giro. Es exactamente igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza centrípeta neta real que está causando el giro en primer lugar. En un giro coordinado en estado estable, esta fuerza centrípeta es simplemente el componente horizontal de la sustentación del ala inclinada, mientras que en un giro no coordinado, tenemos que sumar o restar una fuerza lateral adicional causada por el movimiento lateral del fuselaje a través del aire.

La analogía de un automóvil que circula por una pista peraltada puede ayudarnos a comprender todo esto. En este caso, sustituya la fuerza que ejerce la oruga sobre los neumáticos por la fuerza aerodinámica neta generada por la aeronave. En alguna combinación de índice de giro y velocidad, el terreno inclinado empujará "hacia arriba" las llantas en el marco de referencia del automóvil, y una bola de deslizamiento estaría centrada. En tal caso, los neumáticos no "sienten" ninguna carga lateral. Esto es como un avión en un giro coordinado, donde la fuerza aerodinámica neta que actúa sobre el avión es simplemente la fuerza de sustentación del ala, que actúa "directamente hacia arriba" en el propio marco de referencia del avión.

Sin embargo, es importante reconocer que la analogía del automóvil solo llega hasta cierto punto. Después de todo, la pista está obligada a tener un cierto radio de giro independientemente de la velocidad del automóvil, y eso no es cierto en el vuelo real.

Es fácil ver por qué a todas las velocidades excepto a una, el ángulo de inclinación será "incorrecto" para la velocidad de giro cuando un automóvil circula por una pista inclinada. Pero, ¿por qué el ángulo de alabeo sería "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad del aire en un vuelo real? O para decirlo de otra manera, ¿por qué la fuerza aerodinámica neta que actúa sobre la aeronave sería otra cosa que la fuerza de sustentación del ala, actuando "directamente hacia arriba" en el propio marco de referencia de la aeronave?

Tenga cuidado con las explicaciones que invocan la "fuerza centrífuga" sin prestar suficiente atención a las fuerzas aerodinámicas reales y tangibles generadas por la aeronave.

Al menos un autor de aviación (que escribe para pilotos de aviones ultraligeros) ha sugerido que volar a la "velocidad aerodinámica incorrecta para el ángulo de alabeo" hará que el avión se deslice o derrape. Esto es completamente incorrecto, a menos que restrinjamos artificialmente el radio de giro para que sea fijo, lo cual es una restricción muy extraña en el contexto del vuelo.

Entonces, en un vuelo real, ¿cómo puede suceder que el ángulo de alabeo sea "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad?

Porque se permite que la aeronave vuele lateralmente por el aire, es decir, el morro no se mantiene apuntando en la misma dirección en la que la aeronave realmente viaja por el aire en un instante dado.

Como resultado, el flujo de aire golpea el costado del fuselaje y crea una fuerza lateral aerodinámica real y tangible, que actúa hacia la "izquierda" o la "derecha" en el marco de referencia de la aeronave y el piloto. La bola de deslizamiento "siente" el efecto combinado de esta fuerza lateral y la fuerza de sustentación del ala.

O para decirlo de otra manera, esta fuerza lateral aerodinámica real y tangible se suma o resta a la velocidad de giro, de modo que la velocidad de giro ya no es "correcta" para el ángulo de alabeo y la velocidad del aire, por lo que la bola de deslizamiento se sale del centro.

La bola siempre se desplazará en la dirección "contra el viento" en relación con el flujo de aire que siente el fuselaje. Se moverá hacia el lado del fuselaje donde golpea el flujo de aire.

(Un caso extremo es el vuelo sostenido, verticalmente inclinado, lineal de "filo de cuchillo", donde el ala se descarga a la condición de elevación cero, y el flujo de aire que golpea el costado del fuselaje debe soportar todo el peso de la aeronave, aparte de cualquiera que sea el componente soportado por el vector de empuje. La bola se desviará por completo, hacia la esquina "hacia la tierra" del tubo de vidrio curvo.)

Por lo tanto, es igualmente válido decir que la bola de deslizamiento y derrape se desplazará del centro siempre que el ángulo de alabeo sea "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad aerodinámica, o decir que la bola de deslizamiento y derrape se desplazará del centro siempre que el el flujo de aire golpea el costado del fuselaje porque la nariz de la aeronave no está alineada con la dirección real de viaje y el flujo de aire golpea el costado del fuselaje. Las dos afirmaciones son equivalentes: son dos "caras de la misma moneda" diferentes. Los pilotos que entienden eso, entienden lo que realmente les dice la pelota.

Una vez que entendamos esto, queda claro por qué en las aeronaves sin propulsión, la nariz se desliza sobre el morro, como los planeadores, una cuerda de guiñada (un mechón de hilo adherido a la parte exterior de la cubierta, en la línea central de la aeronave, en el campo de visión del piloto). visión frontal) es un sustituto perfectamente aceptable para una bola de deslizamiento. Cualquier discrepancia entre la dirección en la que apunta la aeronave y la dirección en la que se mueve la aeronave hará que la "cuerda de guiñada" sople hacia los lados.

Siempre que el piloto use el timón según sea necesario para mantener el morro de la aeronave apuntando directamente hacia el flujo de aire, de modo que no haya flujo de aire golpeando el costado de la aeronave, la bola (y el piloto) solo "sienten" la sustentación generada por el ala. Dado que la fuerza de sustentación del ala siempre actúa "hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave, la bola siempre estará centrada en tal caso, independientemente del ángulo de alabeo o la velocidad aerodinámica. En tal caso, la velocidad de giro será automáticamente "correcta" para el ángulo de alabeo y la velocidad aerodinámica.

Tenga en cuenta que si cambiamos la forma del fuselaje, también cambiamos la cantidad de deflexión de la bola de deslizamiento que veremos para un ángulo de flujo de aire lateral dado. Un fuselaje delgado y aerodinámico creará menos fuerza aerodinámica lateral y menos desplazamiento de la bola de deslizamiento que uno grande y cuadrado.

La mayor deficiencia en los diagramas como los que acompañan a esta pregunta ASE relacionada es que no muestran específicamente la fuerza aerodinámica creada por el flujo de aire que golpea el costado del fuselaje en un resbalón o derrape y, por lo tanto, dejan al lector sin entender qué realmente está pasando en un resbalón o un patín.

Todo lo anterior es realmente solo una primera aproximación, pero es una muy buena aproximación para la mayoría de las situaciones en un vuelo real. Para llevar la conversación a un nivel más profundo, podemos reconocer que en realidad es posible que el propio timón cree una fuerza lateral significativa, lo que afectará la velocidad de giro y también afectará la bola de deslizamiento, incluso si el fuselaje está completamente aerodinámico al flujo de aire. Es por eso que el vuelo más eficiente no siempre se obtiene con la bola de deslizamiento completamentecentrado. Esto cobra importancia cuando se trata de un motor averiado en un avión bimotor, porque el timón se desviará considerablemente. Pero para todos los propósitos prácticos, siempre que no estemos lidiando con una gran asimetría en el empuje, es una muy buena aproximación asumir que cada vez que la bola está descentrada, es porque el piloto no mantiene la nariz apuntando en la misma dirección. ya que la aeronave realmente está viajando y, por lo tanto, permite que el flujo de aire golpee el costado de la aeronave.

Tenga en cuenta que el "flujo de aire" del que estamos hablando aquí no tiene nada que ver con el viento meteorológico externo. Más bien, es el "viento relativo" creado por el propio movimiento de la aeronave a través de la masa de aire. Cuando la aeronave no apunta exactamente en la misma dirección en la que realmente viaja a través de la masa de aire, este "viento relativo" tiene un componente lateral en relación con el fuselaje. El piloto soluciona esto aplicando el timón según sea necesario para mantener la aeronave apuntando en la misma dirección en la que realmente viaja. La regla es "pisar la pelota" para devolverla al centro.

Podríamos continuar discutiendo las razones por las que muchas aeronaves, especialmente las aeronaves de vuelo lento y de gran envergadura como los planeadores, tienden a requerir que el piloto sostenga un toque del timón interior durante un giro para mantener centrada la bola de deslizamiento. Pero eso es mejor guardarlo para otra pregunta. Por ahora, simplemente notaremos que, si bien la aleta vertical tiende a mantener el morro del avión apuntando directamente hacia el flujo de aire, como una veleta, a veces necesita un poco de ayuda adicional del timón.

¿Qué pasa si estamos maniobrando en tres dimensiones en lugar de solo dos? El concepto de la bola de deslizamiento y derrape que se sale del centro cada vez que el ángulo de alabeo es "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad del aire solo es válido cuando no hay aceleración vertical.. Por ejemplo, cerca de la parte superior de un wingover, el ángulo de alabeo puede aproximarse brevemente a la vertical y la velocidad del aire puede caer bastante; sin embargo, con el uso adecuado del timón, la bola puede permanecer centrada. Una declaración más completa sería que la bola de deslizamiento-derrape se descentrará cuando haya una discrepancia entre el ángulo de alabeo, la velocidad de giro, la velocidad aerodinámica y el componente de aceleración vertical. La bola de deslizamiento-patinaje se colocará en el tubo para alinearse con la suma vectorial del peso, la pseudofuerza de "fuerza centrífuga" horizontal generada por el giro y una pseudofuerza de "fuerza centrífuga" vertical (hacia arriba) generada por la curvatura hacia la tierra en la ruta de vuelo Pero incluso en este caso más complejo, sigue siendoes cierto que si la aeronave se mantiene alineada con la dirección instantánea de viaje de modo que no se permita que el flujo de aire golpee el costado del fuselaje, la bola de deslizamiento permanecerá centrada.

Aquí hay un punto interesante que se mencionó originalmente en otra respuesta (y ahora también en otra ): podemos imaginar que la bola representa un péndulo imaginario, suspendido de un punto ubicado en el centro del radio de curvatura del tubo de vidrio. Para giros en los que solo estamos maniobrando en dos dimensiones (a diferencia del ejemplo de wingover anterior), si variamos el ángulo de alabeo mientras mantenemos la velocidad aerodinámica y la velocidad de giro constantes , notaremos que la posición del péndulo (o la posición de la pelota) en relación con el horizontequedaría igual. La pelota siempre se mueve hacia la parte del tubo que es "normal" a la suma vectorial del vector de peso y el vector de "fuerza centrífuga" aparente (pseudofuerza). Esto también significa que la pelota siempre se mueve hacia la parte del tubo que es "normal" a la suma vectorial de la elevación hacia arriba y la fuerza centrípeta neta. Y esto también significa que la bola siempre se mueve a la parte del tubo que es "normal" a la dirección del vector de sustentación que se requeriría para un giro perfectamente coordinado a la velocidad aerodinámica y velocidad de giro actuales . Por lo tanto, podemos pensar que la pelota nos dice qué ángulo de alabeo sería necesario para un giro perfectamente coordinado a la velocidad aerodinámica y la velocidad de giro actuales.. Esto nos lleva de vuelta a la primera línea de esta respuesta: el concepto de que en un resbalón o derrape, el ángulo de alabeo es "incorrecto" para la velocidad de giro y la velocidad del aire. En teoría, en un derrape, podemos centrar la pelota reduciendo el ángulo de alabeo mientras mantenemos constantes la velocidad de giro y la velocidad del aire.

Pero a menos que estemos realizando un giro de velocidad estándar con referencia a un indicador de velocidad de giro o un coordinador de giro, este no es un concepto muy útil en el vuelo real, ya que cualquier cambio en el ángulo de alabeo normalmente también generará un cambio en la velocidad de giro. En lugar de pensar en ajustar el ángulo de alabeo para que coincida con la velocidad aerodinámica y la velocidad de giro, centrando así la bola, es mucho más útil reconocer que el ángulo de alabeo siempre será "correcto" para la velocidad aerodinámica y la velocidad de giro, siempre que el avión no lo esté. siendo volado lateralmente a través del aire . Es por eso que, en términos prácticos, el timón es casi siempre la mejor herramienta para centrar la bola de deslizamiento.

De hecho, en los pocos casos en los que elegimos usar los alerones en lugar del timón para centrar la bola, la razón principal por la que funciona no esporque estamos cambiando el ángulo de alabeo, sino porque los alerones están generando un par de "guiñada adversa" que tiene el efecto de una entrada de timón en la dirección opuesta. Ejemplo: estamos realizando un viraje en térmica en un planeador y sospechamos que un ángulo de alabeo más pronunciado podría ayudarnos a permanecer mejor en la térmica: la bola accidentalmente se mueve hacia afuera (lado alto) mostrando un derrape, lo sabemos que aplicar un timón exterior (lado alto) centraría la bola, pero también reduciría el ángulo de alabeo debido al acoplamiento entre guiñada, deslizamiento y balanceo, pero no queremos reducir el ángulo de alabeo, ya que podríamos perder la térmica. - entonces aplicamos dentro del alerón en su lugar. La razón principal por la que este centro de la pelota en realidad no esque el ángulo de alabeo está aumentando, sino que los alerones están creando un par de "guiñada adversa" y no estamos haciendo nada con el timón para contrarrestarlo. Por lo tanto, el morro se aleja de la dirección en la que hemos movido la palanca de control del alerón, lo que alinea mejor el morro con nuestra dirección real de viaje y aumenta el ángulo de alabeo como una ventaja adicional. En la práctica real, en un avión con ala alta o diedro o barrido, si queremos hacer un ajuste de guiñada (es decir, cambiar el ángulo de deslizamiento lateral) sin introducir un par de balanceo, en realidad necesitamos mover el timón en una dirección mientras también movemos el alerones ligeramente en la dirección opuesta. Hay situaciones en las que se adaptará mejor a nuestros propósitos usar solo el timón ("pisar la pelota"los alerones ("mover la palanca contra la bola") para una corrección, pero el primero es mucho más común que el segundo, y el último funciona principalmente debido a la "guiñada adversa" de los alerones, no como resultado directo del real cambio en el ángulo de inclinación.

Notas al pie--

1. Como señaló Wolfgange Langewiesche en 1947 en su libro clásico "Stick and Rudder", esta técnica muy anticuada de "velocidad aerodinámica de agujas" podría decirse que es bastante defectuosa. Fallaría por completo en cualquier aeronave que no a) exhibiera un acoplamiento sustancial entre la guiñada, el deslizamiento lateral y el balanceo, o b) generara una fuerza lateral aerodinámica sustancial durante un deslizamiento lateral o derrape. Es mejor controlar la velocidad de giro con los alerones, mientras usa el timón según sea necesario para centrar la bola de deslizamiento y derrape; esto funcionará en cualquier avión. No obstante, es probable que esta antigua técnica sea lo que llevó a que un indicador de velocidad de giro (con la bola de deslizamiento y derrape incluida) a veces se denomine "indicador de giro y ladeo", como si la indicación de la bola de alguna manera tuviera algo que ver con el ángulo de ladeo. .

Como el OP no es un piloto (pero hace una muy buena pregunta), queda por decir que el vuelo es tridimensional y siempre se requiere una elevación vertical adecuada para hacer un ... "giro de nivel constante".

Así que ahora podemos discutir las virtudes de volar el avión, no el instrumento.

Ocurre que aumentar el alabeo, o deslizarse, es una técnica de giro indeseable porque requiere más cabeceo (o más velocidad) para mantener una sustentación vertical adecuada . Ahora tiene un doble golpe de velocidad aerodinámica que reduce los factores de arrastre. ¿Qué le sucede a un piloto de noche o en las nubes? Comienzan a tirar más hacia atrás de la palanca, perdiendo velocidad y entrando rápidamente en una espiral.

El vuelo de derrapaje también crea una mayor condición de resistencia y también conlleva el riesgo de que la punta detenga el ala más lenta.

Esta es la razón por la cual los aviones "bajos y lentos" se benefician al mantenerse coordinados, pero ¿qué es exactamente esto?

Para automóviles, camiones y aviones por igual, es la dirección de la resistencia inercial a la suma vectorial de la aceleración gravitatoria y aerodinámica directamente hacia la parte inferior del vehículo.

Para un giro de un radio y una inclinación dados, el factor de control es la velocidad . Esto funciona para automóviles y ciertamente para camiones.

Con los aviones, rara vez se da el alabeo, pero el radio y la velocidad pueden serlo (cuando se vuela un circuito de patrón de aterrizaje). Cuando se proporciona la velocidad, hacemos coincidir el alabeo (alerones) y la "dirección" (timón) para mantener el rumbo de manera coordinada (menor resistencia) al mismo tiempo que proporcionamos la sustentación adecuada para un vuelo nivelado .

Por lo tanto, los pilotos no eligen (aunque teóricamente es posible) controlar el vuelo coordinado cambiando de banco. Es mucho mejor reducir la resistencia con el timón pisando la bola . Como la resistencia siempre será mayor en los giros que en el vuelo recto, aumentar la potencia para mantener la velocidad aerodinámica tampoco es una mala idea, especialmente si su avión es muy arrastrado.

Por lo tanto, la velocidad aerodinámica adecuada es crucial para un vuelo seguro y la menor resistencia ayuda a mantener la velocidad aerodinámica, por lo que deslizarse (o derrapar) en giros nivelados está descartado (no es seguro).

Estas técnicas tienen valor para ajustar los ángulos de planeo para el aterrizaje, pero no deben intentarse sin comprender los riesgos.