¿Qué cuesta menos energía? ¿Rodillo o guiñada?

Digamos que desea realizar un giro de 1 a 90 grados. ¿Cuál costará menos energía? ¿Un banco o una guiñada?

El uso del timón produce una resistencia adicional, porque la superficie de control se desvía durante un tiempo.

El uso de alerones para inclinarse también produce una resistencia adicional, pero más que eso, en un ángulo de alabeo, la dirección de sustentación no será perfectamente vertical. O perderá altitud (que debe recuperarse) o aumentará la velocidad.

Es por eso que no quería formular la pregunta como "menos arrastre". La energía perdida podría ser en forma de resistencia, peor ángulo de elevación, altitud perdida, tal vez otras cosas en las que no he pensado.

Estoy interesado en aviones comerciales grandes, así como en aviones "ideales" sin pares adversos (todas las superficies de control están alineadas con el centro de masa).

Creo que la respuesta correcta es realizar un giro coordinado utilizando tanto el timón como los alerones, pero estoy seguro de que alguien responderá con una ecuación matemática más satisfactoria para explicar por qué es así.
Seguramente el giro de menor energía es el que no hace que los pasajeros derramen sus bebidas, e idealmente no se dan cuenta del giro a menos que estén mirando por la ventana.

Respuestas (4)

Cuando gira guiñando, está patinando el avión para apuntar la nariz hacia un lado, para compensar el vector de confianza para mover el avión hacia los lados a medida que avanza. La velocidad de giro que puede lograr de esta manera es muy baja y hay una gran resistencia al patinar mientras se desliza como un automóvil sobre hielo con el lado del fuselaje expuesto a la corriente de aire. En la medida en que el avión tenga una pareja balanceo/guiñada (balanceo causado por la guiñada), tendrá un alerón opuesto para evitar que el avión se ladee hacia el patín; más energía desperdiciada sin ningún propósito.

Cuando gira al inclinarse, compensa el vector de elevación para mover el avión hacia los lados a medida que avanza. No hay deslizamiento lateral, por lo que la resistencia solo aumenta por la pequeña cantidad causada por el aumento del elevador y el AOA, y la menor resistencia de los alerones y el timón moderadamente desplazados (en la medida en que se desplazan una vez que se completa la acción de balanceo).

Debido a que se está moviendo a través de un fluido, un giro derrapado es como girar un automóvil derrapándolo en una pista de tierra, un giro inclinado es como dar la vuelta en una esquina inclinada, donde ni siquiera tiene que girar el volante para mantener alineado con la carretera a medida que el automóvil cambia de dirección. ¿Qué forma es más eficiente?

Para averiguarlo lo probé en mi propio avión, un PL-2 de fabricación casera . Lo volé a 2000 pies, manteniendo 70 nudos, cerca de la L/D máxima para este avión, y apliqué timón completo con un poco de alerón opuesto para mantener el nivel de las alas (no se requiere mucho alerón en este avión), ajustando la potencia para mantener la altitud a 70kt en el patín.

Mi avión tiene un indicador de presión múltiple a pesar de que la hélice tiene un paso fijo, útil para conocer la configuración precisa de la potencia. Se necesitaron 19" MP @ 1900 RPM para mantener un giro derrapado con timón completo a 70 nudos y la velocidad de giro fue de aproximadamente 90 grados en 30 segundos, o aproximadamente Velocidad 1. Esto es aproximadamente 55 HP en el Lycoming O-290 D2.

Luego saqué el timón y me incliné hacia el viraje (se requerían unos 15 grados de inclinación para mantener el índice 1) para mantener el mismo índice de viraje que el viraje con derrape pero en un ladeo coordinado. Para no subir tuve que reducir la potencia. Terminé en alrededor de 16 "MP @ 1700 RPM, en un giro de tasa 1 de nivel inclinado a 70 nudos, que es alrededor de 45 HP.

Por lo tanto, se necesitaba alrededor de un 20 % menos de potencia para mantener un viraje inclinado a Velocidad 1 que un viraje derrapado a Velocidad 1 cuando se volaba cerca de la L/D máxima. La resistencia adicional del derrape también fue bastante obvia en la desaceleración cuando se aplica el derrape con timón frente a rodar en el giro coordinado.

Con los aviones de pasajeros, girar derrapando está fuera de discusión porque con las alas en flecha obtienes una poderosa velocidad de balanceo tan pronto como guiñas un par de grados y rápidamente te quedarás sin alerón opuesto tratando de mantener las alas niveladas.

Una cuantificación estaría bien.
Bueno, eso es un proyecto en sí mismo. "Mucho más arrastre" y "giro mucho peor" es una cuantificación suficiente para algo como esto, siendo bastante obvio para cualquiera que vuele.
No estoy de acuerdo. Suenan como declaraciones basadas en cómo se siente en el oído interno. Su giro de automóvil inclinado proporciona toda la elevación adicional requerida sin energía adicional.
En realidad, el automóvil está bajo una mayor carga debido a la G de su giro en una pista peraltada, por lo que aumenta la compresión de las llantas y la fricción de rodadura. De todos modos, tendría que salir y hacer pruebas de vuelo para determinar la velocidad de giro X con deslizamiento lateral Y (y créanme, incluso con el timón completo, no es mucho), medir el aumento de la resistencia y compararlo con un giro inclinado del misma tarifa, en el mismo avión, mismas condiciones. Puedo decirte que las diferencias son obvias si realmente lo haces (y he jugado con giros por patines en el pasado solo por diversión), tan obvio que las medidas son redundantes.
+1 por la prueba.
@Koyovis Gracias. Dejando a un lado la penalización por arrastre, debo decir que me sorprendió la velocidad de giro que pude obtener al derrapar. Nunca antes lo había intentado de manera sostenida. Además, parte de la potencia adicional puede haber sido para compensar el funcionamiento de la hélice mientras giraba hacia los lados, por lo que tal vez parte de la penalización por arrastre en realidad sea una pérdida de eficiencia de empuje. Por curiosidad, lo intentaré de nuevo mientras deslizo la potencia para comparar la tasa de caída del giro coordinado frente al derrape.

Un giro constante requiere una fuerza centrípeta constante, es decir, perpendicular a la dirección del movimiento. Esta fuerza debe generarse aerodinámicamente (a menos que se utilicen motores de cohetes).

Una fuerza generada aerodinámicamente siempre va acompañada de una resistencia inducida, incluso si la fuerza la genera el fuselaje (debido al deslizamiento lateral) en lugar de un perfil aerodinámico tradicional. Para un gasto de energía mínimo, desea minimizar la resistencia inducida para una fuerza aerodinámica determinada. En otras palabras, desea tener una alta relación sustentación/resistencia (L/D).

Para prácticamente todos los aviones más pesados ​​que el aire, una gran parte se dedica a combatir la fuerza de la gravedad (ya sea alas fijas o un rotor). Las superficies utilizadas para luchar contra la gravedad son, por lo tanto, invariablemente las superficies con la mayor L/D.

Al hacer rodar la aeronave, la sustentación generada por estas superficies se inclina hacia adentro y gana un componente de fuerza perpendicular a la dirección del movimiento. Rolling, por lo tanto, utiliza los medios más eficientes para generar una fuerza aerodinámica, las alas o un rotor, para generar la fuerza centrípeta.

Se pone mejor, todavía. Incluso si tuviera un fuselaje que de alguna manera tuviera la misma L/D en guiñada que sus alas fijas, un giro es aún más eficiente. Esto se debe a que una sola fuerza inclinada siempre tiene una magnitud menor que la suma de los componentes horizontal y vertical según la desigualdad del triángulo.

Usa la guiñada para coordinar tus giros y usa el alabeo para hacer el giro real. En un giro coordinado, la velocidad más eficiente puede ser un poco más alta porque se cambia el equilibrio entre la resistencia inducida (se reduce con mayor velocidad) y la resistencia parásita (aumenta con mayor velocidad). Compare esto con un planeador, que tiene una velocidad más alta para un L/D óptimo (alcance óptimo) con mayor lastre.

Tenga en cuenta que esto no es una violación de "la velocidad de los controles de cabeceo, la altitud de los controles de potencia", es más como que se agrega AOA adicional de manera más eficiente para girar, se agrega potencia para compensar la resistencia adicional al girar. Ahora podemos examinar "¿deberíamos mantener un AOA óptimo del ala y aumentar la velocidad en un giro y giro, o aumentar el AOA del ala a una L/D más baja, pero no acelerar tanto (mantener la velocidad aerodinámica)"? Debido al aumento de la resistencia parásita, puede ser más eficiente agregar solo el empuje suficiente para mantener la velocidad aerodinámica, mientras se usa el ala y el timón en un giro coordinado.
El método de rollo es el más eficiente. Solo requiere una pequeña cantidad de sustentación adicional de las alas para mantener un vuelo nivelado en el giro. La guiñada pone el fuselaje en ángulo con el viento para proporcionar una "ascensión lateral" y produce mucha más resistencia en el proceso porque el fuselaje no tiene la forma para proporcionar una sustentación eficiente. De hecho, el "deslizamiento lateral" se usa a veces como una forma de reducir la velocidad en una emergencia.
@Sanchises No importa amigo, edité mi respuesta, debería haberlo hecho en primer lugar.
@Koyovis ¡No hay problema!
@RobertDiGiovanni "El tono controla la velocidad, la potencia controla la altitud" es una ayuda para la enseñanza, no una regla en física (básicamente, es para asegurarse de que el estudiante piloto agregue potencia de manera proactiva en lugar de retroactivamente). Abordé el resto del comentario, con respecto a la velocidad óptima, en mi respuesta.
+1 por su respuesta, y de alguna manera ese ala lenta está haciendo 4 veces la fuerza como el apoyo giratorio para muchos aviones GA. Por lo tanto, ciertamente tiene algo de sobra para girar, siempre que vigilemos ese AOA.

Depende de la velocidad: cuesta muy poca energía extra guiñar un helicóptero en vuelo estacionario.

De un viejo libro universitario sobre estabilidad y control

  1. Giro de guiñada . Un giro de guiñada aumenta el ángulo de deslizamiento lateral β , creando una velocidad de deslizamiento lateral que resulta en una fuerza aerodinámica Y = C Y ⋅ ½ ρ V 2 S . La imagen de arriba es de las medidas de un modelo F-27 sin deflexión de flaps d F , y muestra una relación casi lineal entre C Y y ángulo de deslizamiento lateral. El vector de sustentación permanece apuntando directamente hacia arriba en un giro puramente inclinado, no se requiere sustentación adicional.

  2. Turno banco . El vector de sustentación apunta hacia el giro, lo que significa que se pierde parte de la fuerza vertical. El ángulo de ataque debe aumentarse para la sustentación adicional, creando más resistencia inducida.

Eso es sobre los vectores de fuerza, la pregunta es sobre energía = fuerza * distancia o fuerza * velocidad * tiempo, y ahí es donde un entrenamiento exacto se vuelve laborioso. Estos datos están disponibles en los paquetes aerodinámicos del simulador, pero existen limitaciones en la reproducción de datos.

Cualitativamente hablando, la diferencia entre los dos es:

  • El arrastre debido al deslizamiento lateral en giros de guiñada es un arrastre parásito y aumenta cuadráticamente con la velocidad del aire;
  • La resistencia inducida se reduce con la velocidad aerodinámica.

Entonces, a velocidades aerodinámicas bajas, un giro de guiñada requiere menos potencia adicional. A velocidades aerodinámicas más altas, un viraje peraltado requiere menos potencia adicional. La velocidad de cruce puede ser bastante baja, intuitivamente tenderíamos a creer que por encima de la velocidad de pérdida un banco gana.

Por supuesto, lo anterior no menciona la zona de confort, nuestros cerebros y cuerpos se sienten mucho más cómodos experimentando fuerzas normales que experimentando fuerzas laterales.

Página wiki de arrastre inducido

Angle of attack needs to be increased for the extra lift, creating more induced drag.Pensé que la velocidad del aire debe aumentar para mantener suficiente sustentación, o de lo contrario sacrificarás la altitud. Incluso si AoA solo es suficiente, parecería requerir más potencia del motor en el AoA más alto. De cualquier manera parece estar agregando energía de los motores. Por cierto, siempre pensé que tirar de la palanca hacia atrás durante el banco es solo para hacer que el giro sea más rápido. Si no tira hacia atrás, el banco seguirá realizando el giro.
Si vuela trimado, luego ladee sin retroceder, la fuerza vertical es sustentación * cos β , por lo que disminuye con el ángulo de alabeo. La fuerza vertical es menor que el peso y el avión desciende. Tirar hacia atrás de la palanca aumenta el vector de sustentación y no se pierde más altitud cuando L*cos β = W. De hecho, la componente horizontal ahora también es mayor y el giro es más cerrado.
¿Está realmente sugiriendo que cuando vuela cerca de, digamos, la velocidad para la tasa mínima de descenso o la tasa máxima de ascenso, puede girar de manera más eficiente derrapando en lugar de inclinarse? Si esto fuera cierto, sería la estrategia preferida de los pilotos de planeadores que vuelan en círculos en una corriente térmica ascendente. Este no es el caso en absoluto en la realidad; de hecho, existe el argumento de que una pequeña cantidad de deslizamiento es útil mientras se circula en una corriente térmica ascendente.
@quietflyer no, no estoy configurando el punto de transición cerca de la tasa de descenso mínima o la tasa de ascenso máxima, simplemente uso el gráfico como una ilustración de la naturaleza diferente de la resistencia inducida y parasitaria.
@ DrZ214: en relación con otros comentarios anteriores, sí, puede girar sin tirar de la palanca más hacia atrás. La aeronave atravesará un cabeceo "phugoid" y luego se estabilizará a una mayor velocidad aerodinámica debido a la carga adicional del ala debido al ángulo de alabeo. Y sí, ciertamente puede mantener constante la velocidad del aire mientras gira hacia la curva, si lo desea, moviendo la palanca de control hacia atrás. Cualquiera de los métodos (velocidad aerodinámica constante o posición constante de la palanca hacia adelante y hacia atrás) requerirá mayor potencia SI desea mantener una altitud constante en aire en calma. Cuál requerirá MÁS potencia depende de qué parte de la envolvente de vuelo
@ DrZ214 - ctd - Lo que requerirá MÁS potencia depende de en qué parte de la envolvente de vuelo se encuentre. Si está volando muy por encima de la velocidad de tasa de descenso mínima, y ​​está ajustando la potencia según sea necesario para mantener la altitud constante, entonces mantenga presionada la la velocidad aerodinámica constante requerirá menos potencia adicional que permitir que aumente, y forzar la disminución de la velocidad aerodinámica requerirá aún menos potencia adicional. Si inicialmente está volando lo suficientemente rápido en un vuelo nivelado con las alas, entonces con una disminución suficiente de la velocidad aerodinámica (contrapresión en la palanca) puede mantener un vuelo en círculos inclinado sin agregar NINGUNA potencia adicional.
@ DrZ214 -- ctd -- de hecho, en un avión ligero típico, con hélice de paso fijo, si inicialmente vuela lo suficientemente rápido en un vuelo nivelado, es fácil demostrar una transición a un vuelo circular, sin pérdida de altitud y sin cambio en la posición del acelerador. La clave es suficiente contrapresión en la palanca/horquilla. El ángulo de ataque en el viraje será mayor que en la velocidad al nivel de las alas, y la velocidad aerodinámica en el viraje será menor que en el vuelo al nivel de las alas. El motor en realidad producirá MENOS potencia en el giro, porque las RPM serán más bajas.
@ DrZ214 -- ctd - esto solo funciona porque cuando el avión entra en el giro, el ala se mueve a un ángulo de ataque mucho más eficiente que el que tenía en el vuelo nivelado.
@quietflyer lo que significa que el avión ha perdido energía cinética.
@Koyovis --verdadero-- en caso de que no esté claro, no me estoy enfocando tanto en la transición (momento en que la velocidad del aire está cambiando) como en el caso final de estado estable después de que la velocidad del aire se ha estabilizado. Cuando la velocidad del aire cambia (disminuye), esta energía se convierte en altitud potencial. Entonces, supongamos que comienza en un vuelo con las alas niveladas a 120 mph y termina en un giro peraltado de estado estable a 80 mph sin cambios en la posición del acelerador ni en la altitud. A medida que desaceleraba, podía mantener TEMPORALMENTE la altitud a 110, 100, 90 mph a medida que la energía cinética se purgaba y se convertía en altitud potencial.
@Koyovis: pero solo a 80 mph era posible un vuelo de estado estable en el ángulo de banco establecido y la posición del acelerador; ahora ya no depende de la energía cinética "liberada" por la desaceleración.
Lo siento, demasiadas palabras.
@Koyovis Veo una ecuación para el caso Yaw, pero no para el caso Bank. ¿Hay uno? Si puede agregarlo, entonces podríamos compararlos directamente matemáticamente. Por cierto, ¿puedes explicar ese gráfico un poco mejor? Veo términos como delta_f y beta (grados) pero no sé lo que significan.
@Koyovis Debe asociar un ángulo de guiñada dado con una velocidad de giro y comparar ese arrastre total en esa condición con el arrastre total a la misma velocidad de giro en un giro inclinado y tendría que salir y probarlo. Los ángulos de guiñada necesarios para acercarse a una velocidad de giro decente son considerables. La próxima vez que salga en mi avión intentaré hacer eso. Veré qué velocidad de giro puedo obtener con un giro plano con derrape a una altitud constante y 80 nudos constantes con timón completo, anotaré las RPM/MP y compararé la configuración de potencia requerida para cumplir las mismas condiciones en un giro peraltado a la misma velocidad de giro.
@JohnK ¡Gran sugerencia!
@Koyovis Gracias, pero en la ecuación Y = Cy...S, ¿qué es S? Acerca de la fuerza frente a la energía, eso está bien. Si tenemos ecuaciones de fuerza, podemos ver qué fuerza es menor. Pero todavía no veo una ecuación para el caso 2, el banco. ¿Hay uno?
@DrZ214 S es el área de superficie del ala, que el C Y las medidas en el gráfico están escaladas. Sí, hay una ecuación para la fuerza centrípeta del banco = L ∗ s i norte ϕ con ϕ = ángulo de balanceo. Entonces, en ese caso, la pregunta se transformaría en: ¿qué método de giro genera la menor resistencia en el tiempo del giro? Tiene sentido incluir alguna medida de duración o ángulo de cambio de rumbo allí.
@Koyovis Ayer hice una prueba rudimentaria en mi propio avión y actualicé mi respuesta.

La mejor manera de ver esto ES mirar el arrastre, eso es lo que "le cuesta energía".

Tenemos brazos y piernas. ¿Por qué no caminamos sobre nuestros brazos? ¡Es teóricamente posible! ¡Incluso podría escribir una ecuación para eso! Probemos un poco de sentido común primero.

Girar requiere movimiento, al igual que el vuelo más pesado que el aire. Allí para el caso de vuelo estacionario no se puede considerar, o cualquier velocidad aerodinámica variable. Veamos un vuelo a una velocidad dada. En TODOS los casos, el arrastre más bajo es el más deseable.

Suponiendo que no haya cambios en la altitud o la velocidad del aire al ejecutar la maniobra, ¿cómo lo hacemos con la menor resistencia? Ciertamente no girando el fuselaje de lado hacia la corriente de aire y usando el motor para empujarnos en una nueva dirección. La inclinación del avión utiliza el componente horizontal mucho más eficiente del vector de sustentación del ala para crear un movimiento lateral. Este es el "turno".

La coordinación del giro con el timón mantiene el vector de empuje y el empenaje "siguiendo" la nueva dirección de vuelo, con el mejor uso posible del vector de empuje y la menor cantidad de resistencia.

Dividir el giro en muchos pasos instantáneos puede ayudar a aclarar el pensamiento. Si le preocupa que esa enorme ala genere resistencia al moverse hacia los lados, ríase. En cualquier instante dado, está acelerando horizontalmente desde V cero (muy poca resistencia) mientras mantiene el componente de sustentación vertical. Esta es la razón por la cual el giro se considera aceleración, aunque la velocidad del aire sea constante.

Comparando el elegante ala lenta con una hélice que gira furiosamente, pocos podrían argumentar a favor de lo último.

-1 por suposición dudosa. Assuming no change in altitude or airspeed executing the maneuver...Esto es imposible en un banco. Si su vector de elevación está inclinado hacia un lado, se hundirá o aumentará la velocidad para aumentar el componente de elevación vertical para que coincida con su peso. Esta es precisamente la razón por la que lo denominé "menos energía" y no "menos arrastre". En un banco, podrías simplemente sacrificar la altitud. Su velocidad es la misma, por lo que no hay resistencia adicional por eso, pero pierde energía debido a la disminución de la altitud.
Vaya, no, veo lo que estás diciendo ahora. Aumente el AoA pero a la misma velocidad aerodinámica. Esto aumenta la sustentación para que la altitud también se mantenga igual. Y ofc mayor AoA es mayor resistencia también. +1 en su lugar... excepto que mi voto está bloqueado :-( ¿Quizás nuevas reglas SE?
@DrZ214 No, no hay reglas nuevas. Una vez votado, tiene 5 minutos (?) para cambiar de opinión, pero si se edita la publicación, puede volver a cambiar el voto. Tal vez corrija algún error tipográfico menor (como "ahí para" versus "por lo tanto") usted mismo y luego vuelva a votar ;-)
Culpa mía por no ser más claro. El ala o la hélice pueden cambiar de dirección, pero solo la hélice puede agregar energía al sistema. Para mantener la velocidad en un giro prolongado, agrega potencia, para mantener la altitud y el giro agrega AOA. Coordenadas del timón, el ahorro se debe a que el ala es más eficiente para acelerar de lado a menos que... el ala y la hélice tengan el mismo tamaño de superficie aerodinámica como... (pausa para el drama)... ¡pájaros!
"Tenemos brazos y piernas. ¿Por qué no caminamos sobre nuestros brazos? ¡Es teóricamente posible! ¡Incluso podría escribir una ecuación para eso! Probemos un poco de sentido común primero". ¡La mejor respuesta que he visto en mucho tiempo! Tantas preguntas de personas que no son pilotos y tantas explicaciones complejas de principios muy básicos en este sitio, me deja atónito...
@MichaelHall Diferentes personas vienen con diferentes intereses. Algunos están interesados ​​en cómo volar un avión, algunos están interesados ​​en cómo vuela un avión. A veces, cuestionar lo que parece obvio puede conducir a nuevos conocimientos, lo que parece un excelente uso de un sitio web de preguntas y respuestas.
@Sanchises - Entiendo y estoy de acuerdo. Supongo que mi crítica es que las respuestas a menudo son desproporcionadas con respecto a la complejidad/nivel de conocimiento demostrado de la pregunta. Hay algunas personas brillantes que publican aquí, pero no todas las preguntas justifican una tesis de ingeniería para explicar.
¿Qué cuesta menos energía? ¿Rodillo o guiñada?
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