¿Son las alas más eficientes para crear sustentación, en lugar de orientar el empuje del motor hacia abajo?

Interesante pregunta. Puramente empíricamente, es la relación de elevación a arrastre que está buscando. Si toma este valor como dado para cualquier avión en particular, tiene una respuesta directa sobre cuánto más efectivas son las alas. Es la relación entre la sustentación y la resistencia total. El motor solo necesita superar la resistencia.

Con L/D igual a la unidad, necesitaría el mismo empuje que para el despegue vertical. Pero incluso los aviones de ala fija bastante "malos" tendrían una L/D de aproximadamente 5. Los planeadores o aeronaves similares construidas con un fuerte enfoque en la aerodinámica pueden tener una L/D de 50 o más (al menos en un rango estrecho de velocidades).

Entonces sí, las alas son más eficientes. Aproximadamente un orden de magnitud como regla general para aeronaves comunes y velocidad aerodinámica óptima.

Por qué su razonamiento con aire empujado hacia abajo es incorrecto es más complicado de explicar. Comenzaré con la suposición de que, cuando el aire pasa por un perfil aerodinámico, su velocidad relativa al perfil aerodinámico no se modifica y solo cambia la dirección. (Sé que el aire se ralentiza al menos debido a la fricción, etc., pero estas son, al menos en teoría, cosas evitables que no están directamente relacionadas con la creación de la sustentación. Si hay algo intrínsecamente relacionado con la sustentación que hace que el flujo de aire cambie no solo de dirección sino también de velocidad , entonces, con suerte, alguien me corregirá aquí).

Ver la imagen. Masa de aire moviéndose inicialmente hacia la superficie aerodinámica con velocidad$\vec{v_0}$se desvía hacia abajo por el ángulo$\alpha$. Por lo tanto, el cambio en la velocidad es$\vec{\Delta v}$. Este cambio se puede dividir en componentes horizontales y verticales. Para mantener la aeronave en el aire, la componente vertical debe ser equivalente al peso de la aeronave dividido por la tasa de flujo másico sobre el ala. La componente vertical está relacionada con la horizontal por

Entonces, desde esta visión simplista, el arrastre sería$\tan\alpha/2$veces el ascensor. Una mayor tasa de flujo másico sobre el ala (alas más largas, mayor velocidad aerodinámica) hace posible mantener la misma sustentación con menor deflexión ($\alpha$), por lo tanto, menos arrastre debido a la sustentación generada.

Comentario adicional: ¿cómo se relaciona con la potencia y la energía?

La respuesta anterior se centra en cómo las alas disminuyen el empuje necesario del motor , pero la pregunta original también podría interpretarse en términos de eficiencia energética. Intentaré añadir algunos comentarios sobre esta parte.

• Ejemplo simple: motor de cohete: no demasiado típico para aviones, pero simple. Rocket consume la misma cantidad de combustible por segundo para generar una unidad de empuje independientemente de su tamaño e independientemente de si está apuntando hacia arriba (y es estático con respecto al aire) o hacia adelante (y se mueve por el aire). Necesita quemar proporcionalmente más combustible por segundo para generar un mayor empuje. Entonces, para la propulsión del cohete, ahorrará combustible en la misma proporción que disminuye el empuje necesario.

• Los motores de hélice o a reacción son más complicados ya que su empuje y consumo de combustible también depende del movimiento del motor a través del aire. Como señaló David K ​​en su respuesta, podemos usar el impulso y la energía cinética del aire acelerado para obtener la potencia necesaria para la unidad de empuje.

  Con algunas simplificaciones, el empuje es la tasa de flujo de masa a través del motor/hélice multiplicada por el cambio de velocidad de flujo que provoca.$T = \dot m \cdot (v_{\rm out} - v_{\rm in}) = \dot m \Delta v$. La energía necesaria para esto es$P = \dot m \cdot {1\over2}(v_{\rm out}^2 - v_{\rm in}^2)=\dot m\Delta v\cdot(v_{\rm in} + {\Delta v\over 2})$. Por lo tanto

  $${P\over T}=v_{\rm in} + {\Delta v\over 2}\,.$$

  Para mantener el motor estacionario contra la gravedad, se necesita un mayor empuje en comparación con los aviones de ala fija en vuelo, como se muestra arriba. Si no "hacemos trampa" al aumentar la tasa de flujo másico a través del motor (como hacerlo con un rotor de helicóptero o usar múltiples motores),$\Delta v$debe incrementarse para lograr el empuje necesario. Por lo tanto, no solo necesita más potencia debido al mayor empuje, sino también más potencia debido al aumento de vatios por unidad de empuje. Tenga en cuenta que incluso el "truco del helicóptero" no funciona demasiado bien. Para igualar el consumo de energía del motor que genera menos empuje gracias a la L/D del ala, también debe mejorar la P/T, reduciendo$\Delta v$, aumentando así el flujo másico (radio del rotor/hélice incluso más que proporcionalmente al aumento del empuje).

  ¿Qué pasa con la disminución de P/T debido al movimiento a través del aire? Bueno, depende del motor en particular y su$\Delta v$. Por lo general, será en un orden de magnitud similar a la velocidad aerodinámica (o incluso menor), por lo que no podemos descuidar$v_{\rm in}$en la ecuación de vatios por empuje anterior. Hay una penalización de eficiencia cuando el motor funciona en aeronaves en movimiento. Pero aún debería valer la pena, ya que la ganancia proporcionada por la sustentación es mayor.

  Un ejemplo simplificado: tenemos un motor capaz de producir suficiente empuje para levantar un avión verticalmente. Se puede estrangular cambiando$\Delta v$sin ningún problema práctico o cambio en su eficiencia interna. Y supongamos que la tasa de flujo másico a través de él es un área fija$S$multiplicado por la densidad del aire y multiplicado por el promedio aritmético de las velocidades de entrada y salida del aire. Para aeronaves en vuelo estacionario y motores estacionarios que producen un empuje igual al peso de la aeronave,$w$es

  $$w=\dot m \Delta v_{\rm hover} = \rho S \Delta v_{\rm hover}^2 / 2\,;\quad \Delta v_{\rm hover}=\sqrt{2 w \over \rho S}$$ y por lo tanto $$P_{\rm hover}=w\cdot \Delta v_{\rm hover}/2=\sqrt{w^3\over 2\rho S}\,.$$

  El mismo avión que vuela sobre sus alas sólo necesita$w\over L/D$de empuje. La velocidad del aire es$v_{\rm air}$. Ecuación para el empuje:${w\over L/D} = \dot m \Delta v_{\rm flight} = \rho S \cdot (v_{\rm air}+{\Delta v_{\rm flight} \over 2}) \cdot \Delta v_{\rm flight}$. Por lo tanto

  $$\Delta v_{\rm flight}=\sqrt{{2w\over(L/D)\rho S}+v_{\rm air}^2}-v_{\rm air}$$ y $$P_{\rm flight}={w\over L/D}\cdot(\sqrt{{w\over 2(L/D)\rho S}+{v_{\rm air}^2\over 4}}+{v_{\rm air}\over 2})\,.$$

  Desafortunadamente, no veo ninguna forma de simplificar y comparar$P_{\rm hover}$y$P_{\rm flight}$así que algunos números concretos:

  • Avión ligero, 1 tonelada, 100 nudos,$S = 5\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 290\,\rm kW$,$P_{\rm flight} = 35\,\rm kW$.

  • Avión pesado, 100 ton, 200 nudos,$S = 50\,\rm m^2$,$L/D = 15$:$P_{\rm hover} = 90\,\rm MW$,$P_{\rm flight} = 7\,\rm MW$.

  Entonces, según estas simplificaciones, volar con alas con un tipo de motor similar también debería ser significativamente más eficiente en términos de energía. Y, además, ya estás avanzando usando energía$P_{\rm flight}$. Para el motor vertical sería necesaria una potencia adicional para superar la resistencia del aire debido al movimiento.

Con respecto al gasto de energía y potencia, para una determinada cantidad de fuerza que se va a producir acelerando una masa de aire, se requiere más potencia cuando acelera una pequeña masa de aire en cada período de tiempo que cuando acelera una gran masa de aire. Esto se debe a que la fuerza es proporcional al cambio de momento de la masa de aire, mientras que la potencia es proporcional al cambio de energía cinética; y mientras el impulso es$mv,$la energía cinética es$\frac12 mv^2.$

El motor típico de un avión toma partículas de aire relativamente pequeñas y las impulsa hacia atrás a gran velocidad. Una hélice grande o un turboventilador de derivación alta con una entrada grande funcionará mejor que una hélice pequeña o un turborreactor con una entrada pequeña. Pero el ala de un avión convencional típico "capta" una porción de aire mucho mayor durante cualquier unidad de tiempo que sus motores. Al empujar el ala hacia adelante en el aire, la aeronave convierte la producción de fuerza relativamente ineficiente de sus motores (tomando pequeñas porciones de aire del frente de la aeronave y acelerándolas rápidamente hacia atrás) en una producción de fuerza mucho más eficiente de sus alas. (tomando grandes paquetes de aire sobre el avión y acelerándolos relativamente lentamente hacia abajo).

Simplemente girar el motor típico (reactor o hélice) de un avión convencional hacia abajo no permite que el avión acelere casi tanto aire hacia abajo como lo hace el ala cuando el avión está en vuelo normal.

En un helicóptero (también conocido como "avión de ala giratoria"), el motor hace girar el ala (también conocida como rotor), empujándola por el aire y acelerando el aire sobre el avión hacia abajo, ya sea que el fuselaje se mueva hacia adelante a través de la masa de aire o no. Por lo tanto, un helicóptero puede despegar verticalmente con un motor relativamente pequeño en comparación con lo que necesitaría para despegar verticalmente con un motor de avión de ala fija convencional. Si piensa en el rotor de un helicóptero como un "ventilador que apunta hacia abajo", entonces en realidad funciona razonablemente bien.

En un avión tradicional, la mayor parte de la potencia del motor se usa para mantener el avión en movimiento hacia adelante a cierta velocidad. En realidad, se necesita muy poca de esa potencia para crear sustentación.

Considere un avión de papel simple. Vuela durante mucho tiempo sin ningún motor, hasta que el arrastre hace que disminuya la velocidad y pierda sustentación y descienda al suelo.

En manos de un piloto habilidoso, los planeadores pueden permanecer en el aire durante horas sin ningún motor.

No voy a entrar en la discusión sobre si las alas funcionan dirigiendo el aire hacia abajo o no porque es simplemente irrelevante. La verdad básica es que, cuando un ala está orientada de manera que proporciona sustentación cuando se mueve hacia adelante, todo lo que necesita que haga el motor es impulsar ese ala y el resto de la aeronave hacia adelante a esa velocidad.

El ala y el cuerpo de la aeronave crean un arrastre efectivo a medida que son empujados hacia adelante y el motor solo necesita crear esa cantidad de fuerza para no disminuir la velocidad. Esa fuerza es MUCHO menos de lo que necesitas para levantarlo directamente.

La mayoría de los motores de aviones simplemente no tienen la fuerza de empuje para levantar el avión por sí mismos. Durante el desarrollo inicial de aeronaves, se hicieron muchos intentos para hacerlo y fallaron porque los motores de suficiente potencia simplemente no estaban disponibles.

Wings había existido mucho antes de que aparecieran los hermanos Wright, pero el vuelo era impredecible y descontrolado. El primer avión verdadero se inventó porque los hermanos descubrieron e inventaron un mecanismo que les permitía controlar las alas.

En resumen, es mucho más fácil proporcionar sustentación con alas que mediante la vectorización de empuje.

SIN EMBARGO: En este punto, probablemente todavía se esté rascando la cabeza preguntándose cómo puede levantar un avión sin obtener esa cantidad de potencia del motor... Así que déjeme tratar de explicarlo.

Digamos que tienes un auto y te digo que lo levantes 6 pies... Bueno, a menos que seas este tipo, simplemente no va a suceder...

Pero, ¿y si haces lo siguiente?

Bueno, puede que te quejes y te quedes sin aliento, pero puedes ver cómo, si la rampa tuviera una pendiente lo suficientemente larga, podrías usar nuestros músculos para subir el auto hasta esa altura.

Debido a que somos criaturas que se mueven lentamente, pensamos en el aire como nada en absoluto. Sin embargo, el aire se convierte en algo diferente cuando intentas quitarlo del camino muy rápidamente. Se vuelve significativamente "duro".

Por lo tanto, se puede pensar que un avión en vuelo sube una rampa de aire como se muestra a continuación.

El avión y las alas cortan el aire con bastante facilidad, pero el aire debajo de las alas y el cuerpo actúa como una rampa. Cuanto más grandes son las alas, más dura y sólida es la rampa. Esto proporciona la sustentación... manteniendo el avión arriba.

Por supuesto, la rampa no es sólida y cae efectivamente a medida que empujamos el avión hacia adelante. En otras palabras, el avión desciende y asciende al mismo tiempo. Cuando está en vuelo nivelado, la rampa desciende al mismo ritmo que el avión la sube.

Lo que eso significa es que las alas le brindan la ventaja mecánica de usar una rampa para reducir la fuerza necesaria para realizar el trabajo. Ignorando el arrastre, el trabajo requerido es el mismo que si lo levantara verticalmente, pero dado que distribuye el trabajo sobre una larga distancia hacia adelante, el esfuerzo requerido del motor se divide significativamente.

Eficiencia:

Ahora, ¿eso es más eficiente? Bueno, tradicionalmente las rampas y otros dispositivos de ventaja mecánica son menos eficientes que un ascensor recto porque hay pérdidas involucradas en la fricción adicional en el aparato.

Sin embargo, los propios sistemas de elevación basados ​​en propulsión vertical son terriblemente ineficientes.

Como comentamos, el aire es más difícil de mover cuanto más rápido intentas moverlo. Esto significa que duplicar la potencia del motor NO se traduce en duplicar el empuje, es más una función exponencial. Es decir, necesita quemar más del doble de gasolina para obtener el doble de empuje.

Peor aún, para cualquier motor dado, hay un límite en la cantidad de empuje que puede producir. Eventualmente, el aire cavita frente a él. Si puede girar lo suficientemente rápido, aspirará TODO el aire de la entrada tan rápido que se formará un vacío. En ese momento, al motor le falta aire y no puede ir más rápido sin importar CUÁNTO combustible inyecte. Eso significa que, para obtener más empuje, necesita un motor más grande, lo que significa más peso, lo que significa que necesita más empuje. .... ¿Ves a dónde voy con esto?

Y recuerda, eso es solo para mantenerte despierto, todavía tienes que usar más potencia para ir del punto A al punto B.

Como tal, incluso con las pérdidas por arrastre, el vuelo alado todavía usa mucha menos gasolina para cualquier distancia de viaje.

Los motores (digamos motores de pistón) no proporcionan sustentación. Los motores impulsan las alas. Cada pala de una hélice es un ala. Cada ala (del mismo tamaño, perfil aerodinámico, ángulo de ataque, velocidad relativa, altitud) proporciona la misma cantidad de sustentación.

Los dos dispositivos a continuación proporcionan la misma sustentación, uno vuela en línea recta, el otro vuela en círculos. Uno es un avión, el otro es una hélice. Apuntar el empuje de un motor hacia abajo = apuntar la dirección de vuelo de las palas en forma horizontal. Espero que esto ayude.

Si ignoramos las pérdidas, mantener la aeronave a una altitud dada no requiere potencia , ya que no se realiza ningún trabajo sobre ella. Sin embargo, requiere una fuerza, y parece que confundes fuerza y ​​poder. El término eficiencia no tiene significado (al menos no tiene un significado bien definido) cuando se habla de fuerzas.

Por ejemplo, puedo sostener un peso de 20 kg en la mano y podría sostener 200 kg con una palanca de 1:10. Claro, puedes decir que la palanca es 10 veces más eficiente, y en ese sentido las alas son más eficientes que los motores de despegue vertical: puedes despegar con un motor que tiene 10 veces menos empuje. El corolario es que necesitará 10 veces más tiempo para alcanzar una altitud determinada, al igual que yo levantaría un peso de 200 kg 10 veces más lento con una palanca de lo que levantaría un peso de 20 kg con las manos.

La forma en que siempre me explicaron el vuelo "básico" es que debido a la forma del ala, el aire sobre la parte superior tiene que ir más lejos, por lo que se "estira", el aire debajo del ala tiene menos distancia para viajar. Entonces, el aire debajo del ala tiene más "presión" que sobre el ala. En ningún momento estás realmente "empujando el aire hacia abajo". Al menos no exactamente. El peso de la embarcación hace que el aire debajo del ala se "suavice" (o se desplace) de la misma manera que lo hace un bote, mientras que no hay fuerza (aparte de la sustentación) que empuje "hacia arriba" el ala.

Todo esto es una explicación muy simple. Pero la parte central, la parte muy, muy importante, es que en ningún avión, de ala fija (avión) o rotatorio (helicóptero), se genera CUALQUIER sustentación empujando el aire hacia abajo. La sustentación se genera porque hay menos presión de aire "encima" del ala que "debajo" del ala cuando se combina con la fuerza de gravedad hacia abajo. Es el tirón hacia abajo lo que en realidad hace que los aviones suban, por extraño que suene.

Ahora, en su pregunta, desea saber por qué se necesita menos energía para volar "como un avión" que como un "helicóptero". Nuevamente, recuerde que empujar el aire hacia abajo no se pone en cuclillas hasta que ingresa a los motores de cohetes.

Para responder a eso, echamos un vistazo a lo que cada motor está tratando de mover. En un avión pequeño el motor tiene que mover una hélice. Digamos alrededor de 70 libras. Con ese motor girando 70 libras de peso, puede "jalar" (de la misma manera que el ala) un avión pequeño a unos 140 nudos. Eso es más que suficiente "velocidad" para hacer que las partes aladas del avión generen sustentación. Tenga en cuenta que el "ascenso" no tiene que ser una fuerza enorme, solo tiene que ser un poco más fuerte que la gravedad.

En contraste, las "palas" de un helicóptero (solo hay alas que giran) pesan alrededor de 250 libras. Es difícil convertir la velocidad de rotación en nudos, pero a 650 pies/s eso es aproximadamente 385 nudos (las matemáticas son muy aproximadas)

Por lo tanto, se necesita mucha menos energía para hacer avanzar un avión a 140 nudos. Luego lo hace girar un par de alas a 384 nudos.

Tenga en cuenta que las alas de un avión pueden ser MUCHO más grandes que las alas de un helicóptero. Esa área de superficie adicional crea más sustentación a velocidades más lentas.

Para hacerlo más complicado, toda la energía de los "planos" se utiliza para hacer avanzar la nave. Eso es. Un avión solo va en una dirección. En realidad, no giran tanto como "caen" en una dirección prescrita (al generar menos sustentación en un lado o en el otro a lo largo de 3 ejes). El helicóptero, por otro lado, tiene que gastar parte de su energía para moverse "hacia adelante". Su movimiento "hacia adelante" básicamente se prescribe cayendo como el avión, pero luego tiene que gastar energía en generar más sustentación, mientras que el avión simplemente se mueve hacia adelante.

TL; DR En realidad, no son manzanas con manzanas, pero se necesita menos energía para generar la misma sustentación moviéndose hacia adelante que para girar las alas en un círculo y generar sustentación de esa manera.

AVISO ENORME Usé las velocidades y los perfiles de vuelo de muchos aviones. El avión que usé fue "un Cessna", pero tomé números donde pude encontrarlos, así que algunos son los amados 172, otros son las otras variantes. Los números de helicópteros son aún más variados. Traté de mantenerlo en helicópteros más livianos, pero es posible que no tenga éxito. La parte importante es que la teoría es correcta, pero no intentes contar con las matemáticas de ninguna manera real.

Otra nota : algunas naves VTOL en realidad empujan el aire hacia abajo, pero esto es incluso menos eficiente que hacer girar pequeñas alas. En resumen, empujar hacia abajo para subir es como un cohete, creando menos presión en la parte superior y "flotando" hacia arriba es un avión.

Solo quiero agregar algo que creo que generalmente se ha pasado por alto aquí. A medida que aumenta la velocidad aerodinámica específica sobre el ala/hélice, la resistencia aumenta más que linealmente, es exponencial. En otras palabras, dado que el flujo de aire (en masa) sobre un ala es mucho mayor, puede producir x cantidad de sustentación a una velocidad aerodinámica baja, mientras que con un motor, dado que tiene un flujo de aire más bajo (nuevamente en masa) necesita moverse el aire más rápido sobre las hélices del motor para generar la misma sustentación. Como la resistencia no es lineal, necesita mucha más potencia para superar la resistencia del motor, que es lo que provoca las ineficiencias.

Al hojear las respuestas, me falta un enfoque muy simple para explicar la diferencia:
enumerar las ineficiencias para ambas soluciones de diseño

Ala fija

• Resistencia que no produce sustentación : parte de la resistencia no está relacionada con la producción de sustentación, por ejemplo, la fricción del aire en la superficie del ala.
• Vórtices en las puntas de las alas : la diferencia de presión entre la parte superior e inferior del ala busca igualarse mediante un flujo de aire de abajo hacia arriba. Esto se puede mitigar con winglets y/o una alta relación de aspecto del ala.
• cualquier cosa : este es un marcador de posición para cualquier cosa, podría haberme perdido. Véase más abajo para su contraparte.

Ala giratoria

• Arrastre que no produce sustentación : igual que el punto equivalente anterior, excepto por el perfil del ala, perfil aerodinámico y velocidades aerodinámicas variables. Consulte a continuación para obtener más información sobre las diferentes velocidades aerodinámicas.
• vórtices en la punta del ala : igual que el punto equivalente anterior, excepto que la longitud del ala y, por lo tanto, la relación de aspecto es más limitada en la elección del diseño. Los Winglets causarían muchos problemas estructurales y aumentarían la resistencia proporcionalmente, porque están por definición en la punta (de movimiento rápido).
• cualquier cosa : básicamente, todo lo que se aplica a las alas fijas también se aplica a las alas giratorias. Además, muchas veces el flujo de aire no uniforme (ver más abajo) no permite optimizaciones en el perfil del ala, perfil aerodinámico, etc.
• distribución no uniforme de las velocidades del aire sobre la pala : las puntas de un rotor se mueven más rápido a través del aire que su base. Por lo tanto, es difícil obtener una velocidad aerodinámica óptima en todas partes de la pala del rotor a la vez.
• diferentes velocidades aerodinámicas para la pala anterior frente a la que retrocede : la velocidad de avance de la aeronave se suma a la velocidad del aire sobre la pala anterior, pero se resta de la que retrocede. Esta diferencia se suma al problema de lograr un flujo de aire óptimo.
• Necesidad de contrapar : el rotor de cola en el diseño clásico de helicóptero requiere potencia del motor principal sin aumentar la sustentación o el empuje hacia adelante. Es básicamente una "necesidad inútil". Los diseños de doble rotor pueden sufrir un "flujo de aire perturbado" cada vez mayor (ver más abajo).
• movimiento circular - El movimiento circular es básicamente acelerar hacia el centro. "Volar en línea recta" sería más eficiente, por ejemplo, hay cojinetes en el rotor que pierden el momento angular. En comparación, un ala fija no pierde su impulso además de las otras ineficiencias. Esto también plantea requisitos estructurales en las palas del rotor que pueden limitar otras optimizaciones de diseño.
• Flujo de aire perturbado : la hoja que retrocede anteriormente se mueve a través de la anterior en la siguiente revolución. El aire perturbado no crea un flujo de aire tan limpio como lo sería sin perturbaciones. Esto reduce la relación sustentación-resistencia.
• Superficie aerodinámica no optimizada : varios puntos anteriores ya mencionan esto, ya sea haciéndolo necesario (requisitos estructurales en movimiento circular) o evitando la optimización (distribución no uniforme de las velocidades del aire sobre la pala).

Volviendo a la pregunta original:
como regla general, podemos suponer que cuanto más larga sea la lista de ineficiencias, menos eficiente será el diseño. Especialmente cuando todo (y cualquier cosa ) en una lista aparece también en la otra. Tendría que haber grandes diferencias cualitativas en cada punto para que se viole la regla empírica.

Una de las principales ventajas que tiene un ala frente a un motor es que, en el uso típico, se encontrará constantemente con aire relativamente tranquilo. Un motor apuntando hacia abajo crearía un área de baja presión sobre él, y el aire que fluye hacia él se moverá hacia abajo incluso antes de que el avión pueda hacer algo con él. La única forma en que el avión puede generar empuje será acelerar el aire que ya se está moviendo a una velocidad aún mayor. La cantidad de energía requerida para acelerar un metro cúbico de aire de 9 m/s a 10 m/s es casi el doble que la cantidad requerida para acelerar 10 metros cúbicos de aire de 0 m/s a 1 m/s, pero la cantidad de sustentación generado por este último será diez veces mayor.

El artículo hace una generalización engañosa, ya que fue una de las primeras cosas que aprendí durante el entrenamiento de vuelo. Los aviones no vuelan "lanzando aire hacia abajo", funcionan generando una presión de aire reducida que eleva el avión (por lo tanto, "levanta") y hacia adelante (empuje). Tanto las alas como las hélices (y las turbinas) son superficies aerodinámicas cuya superficie curva superior acelera el aire a medida que la superficie aerodinámica se mueve a través de él, reduciendo así la presión del aire. La presión de aire relativamente disminuida sobre las alas y la presión de aire relativamente aumentada debajo de las alas y detrás de la hélice hacen flotar el avión hacia arriba y hacia adelante.

Una pizca de verdad es que el aire que fluye sobre el ala se desvía hacia abajo y algo de aire se comprime debajo del ala a medida que el avión se mueve, pero es un componente mucho más pequeño de lo que mantiene al avión en vuelo.

Una presión de aire más baja detrás del ala produce resistencia y es un subproducto de la sustentación. La fricción superficial de las superficies de sustentación y el cuerpo del avión también son componentes de la resistencia. Un vórtice generado en la punta del ala a medida que los flujos de aire de mayor y menor presión convergen y giran en espiral entre sí también puede ser un fuerte componente de la resistencia, además de causar turbulencia que puede afectar a otras aeronaves.

Para abordar otra parte de su pregunta, la producción de sustentación y empuje sigue los mismos principios que los motores convencionales de pistón y a reacción (los motores de cohetes producen empuje al expandir los gases). Quizás uno de los mejores ejemplos visibles es el avión de rotor basculante Osprey con grandes hélices que pueden producir sustentación, empuje y cualquier combinación intermedia, según el ángulo de los motores.

La analogía de @ymb1 sobre empujar una caja fue una excelente elección. Moverse perpendicular a la gravedad (es decir, mover el ala hacia adelante) requiere menos fuerza que simplemente oponerse (es decir, empujar hacia abajo). Por lo tanto, las alas son una opción más eficiente, tanto desde una perspectiva estructural como de complejidad.

Retrocedamos en el tiempo para preguntar a los pioneros que intentaron volar con propulsión humana. El diseño del ala ofrecía eficiencia sobre los diseños que se basaban en el empuje vertical. Tal eficiencia animó a seguir investigando.

La fuerza de sustentación desarrollada por un ala a la velocidad adecuada depende de la presión. La presión también es responsable de la fuerza de sustentación (flotabilidad) en los barcos (presión del agua en lugar de aire). Puede preguntarle a un diseñador de submarinos sobre el abandono de lastres y la adición de hélices hacia abajo para mantener la profundidad.

Aunque es un mecanismo diferente, un globo aerostático puede demostrar que se necesitan diferentes cantidades de energía para producir la misma sustentación utilizando un principio de ingeniería diferente. En realidad, se puede usar un pequeño motor a reacción para generar suficiente aire caliente para levantar el globo con el carro. Sin embargo, apuntar ese pequeño motor hacia abajo no proporcionará suficiente empuje para una sustentación equivalente.

¿No es esto un poco como comparar manzanas y naranjas? Si no hay fuerzas externas, las alas sin un motor que las impulse hacen muy poco para llevarte al aire.

Un motor puede crear 'elevación' apuntándolo hacia abajo. Para despegar, el motor tendría que generar empuje para contrarrestar su peso. Si agrega alas, puede volar con mucho menos empuje. Entonces, las alas AUMENTAN la eficiencia de un motor cuando se trata de cuánto empuje se requiere para volar.

Addng a @Dmitry Gregoriev excelente respuesta: podría ser que su pregunta se reduzca a: ¿por qué un ala fija es más eficiente que un ala en forma de disco?

Debido a la teoría de la línea de elevación. Crear una cantidad determinada de elevación en un tramo finito es más eficiente cuanto mayor sea el tramo.

En cuanto al artículo:

Usted dice que entiende que el artículo dice que las alas de un avión básicamente crean sustentación al "empujar" el aire hacia abajo.

Esta declaración es incorrecta en la medida en que implica que la sustentación es creada solo por la parte inferior del ala. (No estoy 100% seguro de que eso sea lo que dice el artículo, ya que simplemente dice que "los aviones vuelan lanzando aire hacia abajo").

La teoría de que la sustentación es generada solo por la parte inferior del ala se menciona en la página web de la NASA descrita en comentarios anteriores como la teoría de "Skipping Stone". La página web afirma que esta teoría es incorrecta porque no reconoce que la parte superior del ala también crea sustentación.

Otra página web de la NASA explica que "La elevación es una fuerza generada al girar un fluido en movimiento" y que "Tanto las partes de barlovento [inferior] como las de sotavento [superior] desvían un flujo". (palabras entre corchetes añadidas)

Permítanme agregar algunas otras pruebas y observaciones:

El libro "Stick and Rudder" escrito por Wolfgang Langewiesche en 1944 a veces se ha citado en apoyo de la teoría de "Skipping Stone" porque el libro habla de "golpear" el aire hacia abajo. Sin embargo, en su explicación, el autor afirma que:

"El hecho principal de todos los vuelos más pesados ​​que el aire es este: el ala mantiene el avión arriba empujando el aire hacia abajo.... Empuja el aire hacia abajo con su superficie inferior y tira del aire hacia abajo con su parte superior. superficie; esta última acción es la más importante". [pag. 9]

Otra observación que destaca la importancia de la sustentación creada por la superficie superior es el hecho de que una pérdida implica la pérdida de sustentación producida únicamente por la superficie superior. La parte inferior del ala continúa produciendo sustentación, como antes. Pero no proporciona suficiente sustentación por sí solo para mantener el avión en el aire.

La importancia de la sustentación generada por la superficie superior también es familiar para cualquier piloto que haya volado en condiciones de formación de hielo. Como se indica en el Asesor de seguridad de la AOPA "Congelamiento de aeronaves" , Weather No. 1, p. 2:

"Las pruebas de vuelo y de túnel de viento han demostrado que las acumulaciones de escarcha, nieve y hielo (en el borde de ataque o en la superficie superior del ala) no más gruesas o ásperas que un trozo de papel de lija grueso pueden reducir la sustentación en un 30 por ciento y aumentar la resistencia hasta en un 40 por ciento. Las acumulaciones más grandes pueden reducir la sustentación aún más y pueden aumentar la resistencia en un 80 por ciento o más".

También recuerdo haber leído un par de relatos anecdóticos de lo que sucede cuando hay interferencia en el flujo de aire a través del ala superior, pero no puedo proporcionar una cita. Uno involucró a Martin Caiden, quien estableció un récord de número de paracaidistas saltando a la vez cuando 19 paracaidistas colgaban de la parte superior del ala de su Ju 52 "Iron Annie".

Sé que los fabricantes de aviones comerciales solían tener que agregar tracas en la parte superior de las alas de sus aviones para asegurarse de que el aire a lo largo de la superficie superior fluyera como se pretendía originalmente. Los ingenieros de Cessna estaban muy orgullosos cuando pudieron diseñar un ala (la Citation X) que no requería tracas.

Las alas son una forma económica de acelerar una masa de aire hacia abajo. El hecho de que la selección natural haya elegido ese sistema frente a otras alternativas posiblemente signifique que las alas son la solución más económica...