Un avión tiene un motor que empuja su vuelo. ¿Qué fuerza empuja a un planeador a volar? [duplicar]

Los aviones no vuelan por sus motores. Tanto los aviones como los planeadores vuelan porque sus alas se convierten en sustentación y arrastre.

Esa respuesta simplista, por supuesto, solo plantea la pregunta "¿cómo se puede generar empuje sin un motor?"

Un planeador cambia constantemente altitud (energía potencial) por velocidad (energía cinética). La energía en el tiempo es igual a la fuerza, que en este caso llamamos empuje. Los aviones hacen lo mismo al descender. Ambos también pueden intercambiar energía en la dirección opuesta, pero solo brevemente hasta que las alas se detengan.

La gran diferencia es que un avión también puede convertir el combustible (energía química) en empuje, lo que permite un vuelo nivelado sostenido o ascendente . Los planeadores no tienen esa opción.

La fuerza que empuja un planeador es un componente de su peso. Más precisamente, es la proyección del peso vectorial W en la trayectoria de planeo. Es exactamente del mismo valor que la resistencia D, si el planeador vuela a una velocidad aerodinámica constante, sin aceleraciones. En la imagen, todos los vectores son fuerzas excepto U, V y w, que son velocidad aerodinámica horizontal, total y vertical, respectivamente...

$W$tiene dos componentes, un componente$W_n$perpendicular a$V$, y un componente$W_t$Paralelo a$V$.$W_t$es la fuerza que empuja al planeador, correspondiente al empuje que impulsa un avión propulsado.

Hagamos un Gedankenexperiment.

Vuela un planeador en una trayectoria de vuelo horizontal. Disminuirá la velocidad y se detendrá.

Ahora vuela el mismo planeador en picado vertical. Acelerará hacia abajo, empujado hacia abajo por la gravedad.

Ahora piense en el vuelo planeado como una superposición de ambos estados. Mayormente vuelo horizontal con un poco de picado vertical en la parte superior. ¿No debería ser obvio que la gravedad mantiene el planeador en movimiento?

Pero la gravedad solo proporciona la componente vertical de la aceleración. El planeador en una inmersión solo se acelera hacia abajo, no hacia adelante. Solo cuando el piloto tira de la palanca y agrega algo de sustentación en el ala, el planeador experimentará una aceleración hacia adelante.

Ahí tienes. Dado que el planeador se mueve a lo largo de una trayectoria de vuelo inclinada, su vector de sustentación se inclina hacia adelante , lo que proporciona un poco de empuje. Por supuesto, el vector de sustentación solo es necesario porque el planeador vuela en el campo gravitatorio de la Tierra, por lo que más gravedad o más masa requeriría un aumento en la sustentación, lo que nuevamente significa más empuje hacia adelante. Pero la gravedad solo está involucrada indirectamente al establecer el requisito de sustentación. Lo que realmente empuja al parapente hacia adelante es su componente de sustentación hacia adelante.

Pero el planeador no solo se acelera hacia adelante, sino también un poco hacia abajo. El arrastre, después de todo, también está inclinado y proporciona un poco de fuerza hacia arriba. Ese bit debe equilibrarse, lo que se hace por gravedad. En un sistema de referencia inclinado, es de hecho la gravedad la que se inclina y tira del planeador hacia adelante a lo largo del eje longitudinal inclinado. Pero si nos mantenemos en el sistema fijo terrestre estándar, solo se inclinan la sustentación y el arrastre, y la sustentación tira del planeador hacia adelante . La gravedad solo contribuye con una fracción hacia abajo, cuyo tamaño depende de la tasa de planeo.

Ahora considere el planeador en un paquete de aire que se mueve hacia arriba en el que vuela a lo largo de una trayectoria de vuelo que apunta hacia arriba . Pero aún así, la actitud de cabeceo del planeador está un poco hacia abajo para inclinar su vector de sustentación hacia adelante. En esta condición, ahora tenemos una trayectoria de vuelo con pendiente ascendente y todavía es solo la sustentación lo que empuja al planeador hacia adelante.

Enbin Zheng tiene razón, la fuerza de la gravedad es vertical, siempre vertical, y no puede explicar el movimiento horizontal en absoluto. ¿Que hace?

Tomemos la bicicleta primero. En terreno plano tiene una fuerza gravitacional de 1 G, pero no se mueve verticalmente. Por lo tanto, tiene una fuerza igual hacia arriba de 1 G de tierra firme (el suelo) que lo mantiene al "nivel del suelo". Los aviones en rodaje también experimentan este fenómeno, así como los remolques de tractores, por lo que el humilde semi es alrededor de 4 veces más eficiente en combustible que el mejor avión de carga (los trenes nos superan por otras 4 veces). No hay necesidad de ascensor aquí.

Ahora coloque la bicicleta en un plano inclinado, se "deslizará" cuesta abajo sin poder pedalear. ¡Es la fuerza de repulsión del suelo, no la gravedad, la que explica el movimiento hacia adelante! Solo dibuja los vectores.

A los planeadores. Sin tierra firme una vez en el aire (y sin venta ambulante). La fuerza de repulsión a la gravedad es el arrastre vertical . Cada avión sin motor tiene la fuerza descendente de la gravedad tirando de él hacia abajo a través de la atmósfera. Todo deslizamiento comienza con una caída. El vector de arrastre , como el vector de repulsión de la gravedad de la bicicleta, se opone a la gravedad.

Pero se requiere velocidad hacia abajo para el arrastre vertical . Pagamos por nuestro arrastre con la h (altura) en la fórmula de energía potencial masa x gravedad x altura.

Así que ahora incline el planeador hacia adelante compensando su centro de gravedad y el centro de arrastre vertical . (Logrado en diseño de aeronave con área estabilizadora horizontal). Ahora tenemos movimiento horizontal. Una pendiente de planeo . Solo entonces el ala más eficiente puede hacerse cargo de las tareas de elevación y "deslizar" el avión. Observe que el vector de sustentación del ala ahora tiene un componente horizontal "hacia adelante".

Tenga en cuenta también que un avión tiene mucho más área de perfil cuando se ve directamente desde abajo que de frente. Esto significa que se produce mucha más resistencia al caer una distancia determinada que al avanzar. Un poco como apretar una semilla de melón húmeda entre dos dedos. ¡He aquí su vuelo!

Un buen ala y un planeador bien diseñado utilizan este "empuje hacia adelante" con una eficiencia sorprendente, como lo hacen los más grandes "planeadores a motor", los aviones de pasajeros modernos.

PD : he aprendido a tener en cuenta el movimiento hacia adelante con el vector de peso cuando uso la referencia del plano. Inclinado hacia abajo, el vector de peso se puede descomponer en un componente de línea de "empuje". Esto coincide con la lógica de convertir la energía potencial en energía cinética al bucear (también funciona para la bicicleta).

Ahora para Wn . Se ha demostrado que Wn es la fuerza contra la superficie de un bloque deslizante en un plano inclinado y, de hecho, tiene importancia para determinar el arrastre (fricción). A medida que el plano aumenta, Wn disminuye y Wt aumenta. A medida que Wn disminuye, la fricción disminuye. La resistencia del aire es despreciable. Para un avión a la velocidad de vuelo, la resistencia del aire no es despreciable, y el avión se mantiene en su "plano" (pendiente de planeo) por Lvertical y Dvertical opuestos a W. Lhorizontal se opone a Dhorizontal en un planeo de estado estable.

Para que un planeador vuele, debe generar sustentación para oponerse a su peso. Para generar sustentación, un planeador debe moverse por el aire. El movimiento de un planeador en el aire también genera resistencia. En un avión propulsado, el empuje del motor se opone a la resistencia, pero un planeador no tiene motor para generar empuje. Con el arrastre sin oposición, un planeador reduce la velocidad rápidamente hasta que ya no puede generar suficiente sustentación para oponerse al peso, y luego cae a tierra.

Para los aviones de papel y los planeadores de balsa, al avión se le da una velocidad inicial al lanzarlo. Algunos planeadores de balsa más grandes emplean una catapulta hecha de bandas de goma y una línea de remolque para proporcionar velocidad y cierta altitud inicial. Los pilotos de ala delta a menudo corren y saltan desde la ladera de una colina o acantilado para ponerse en marcha. Algunos ala delta y la mayoría de los planeadores son remolcados por un avión motorizado y luego se sueltan para comenzar el planeo.

El avión propulsado que eleva el planeador le da al planeador una cierta cantidad de energía potencial. El planeador puede intercambiar la diferencia de energía potencial de una altitud más alta a una altitud más baja para producir energía cinética, lo que significa velocidad. Los planeadores siempre descienden en relación con el aire en el que vuelan.

Los planeadores están diseñados para ser muy eficientes, para descender muy lentamente. Si el piloto puede ubicar una bolsa de aire que sube más rápido de lo que desciende el planeador, el planeador puede ganar altitud, aumentando su energía potencial. Las bolsas de aire ascendente se denominan corrientes ascendentes. Las corrientes ascendentes se encuentran cuando un viento que sopla en una colina o montaña tiene que subir para escalarla. Las corrientes ascendentes también se pueden encontrar sobre masas de tierra oscura que absorben el calor del sol. El calor del suelo calienta el aire circundante, lo que hace que el aire se eleve. Las bolsas ascendentes de aire caliente se llaman térmicas. Las grandes aves planeadoras, como los búhos y los halcones, a menudo se ven dando vueltas dentro de una térmica para ganar altura sin batir las alas. Los planeadores hacen exactamente lo mismo.

NASA: planeadores

"¿Qué fuerza empuja a un planeador a volar?"

Depende del marco de referencia que estemos usando.

La primera ley de movimiento de Newton es Fuerza = Masa por Aceleración. En un vuelo lineal en línea recta, la aceleración es cero, por lo que la fuerza neta es cero. No existe una fuerza neta en el vuelo de planeo lineal (en línea recta).

Entonces deberíamos considerar el significado exacto de las palabras "¿Qué fuerza empuja a un planeador a volar?"

Estas palabras básicamente están preguntando cuáles son todas las fuerzas que existen que ejercen un componente paralelo a la trayectoria de vuelo, actuando generalmente en dirección hacia adelante en lugar de generalmente hacia atrás. (Tenga en cuenta que la pregunta no usó la palabra "empuje", que tiene un significado diferente, específico y bien definido en la aviación. "Empuje" es cero en vuelo sin motor).

La respuesta a la pregunta depende precisamente de lo que entendamos por "trayectoria de vuelo".

Si observamos la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire , no existe tal fuerza aerodinámica, pero la gravedad ejerce un componente de fuerza que actúa en contra de la dirección del vector de arrastre, es decir, paralelo a la trayectoria de vuelo y actuando en la dirección general hacia adelante, aunque la gravedad es puramente vertical. Así que hay una respuesta.

Si observamos la trayectoria de vuelo en relación con el suelo , la respuesta se vuelve más complicada y depende de si el planeador está descendiendo, ascendiendo o manteniendo una altitud constante. Considere el caso en el que un planeador mantiene exactamente una altitud constante en la pendiente. Ahora, ¿qué fuerza proporciona un componente que actúa paralelo a la trayectoria, en la dirección general hacia adelante? No la gravedad. Y mientras que la fuerza aerodinámica neta actúa verticalmente hacia arriba, el componente de la fuerza aerodinámica neta que llamamos vector de sustentación contiene un componente que actúa paralelo a la trayectoria en la dirección general hacia adelante y, por lo tanto, se opone al componentedel vector de arrastre que actúa paralelo a la trayectoria en la dirección generalmente hacia atrás. Pero tenga cuidado de no confundir esta afirmación con la afirmación de que la sustentación en realidad ayuda a oponerse a la resistencia; ese no es el caso. Ascensor y arrastre son ortogonales (es decir, son perpendiculares entre sí).

El argumento inmediatamente anterior puede sorprender a algunos lectores como una forma arcana de jugar "juegos" con componentes de vectores. Pero en verdad, lo mismo podría decirse de la afirmación de que la gravedad está ayudando a "empujar" un planeador por el aire de alguna manera. El punto clave es que en el vuelo deslizante en línea recta, la sustentación, la resistencia y el peso forman un triángulo vectorial cerrado, con fuerza neta cero. Qué componentes de este triángulo pueden considerarse como contribuyentes a un componente que "empuja" hacia adelante a lo largo de la trayectoria, depende del marco de referencia desde el que estemos viendo la trayectoria.

El análisis se vuelve aún más extraño si observamos la trayectoria en relación con el suelo y el planeador está ascendiendo. Incluso hay marcos de referencia válidos donde el planeador se mueve hacia atrás. Ahora, ¿cuál es la dirección del componente de fuerza que consideraríamos como una fuerza puramente de "empuje"?

Por ejemplo, considere un planeador que asciende lentamente hacia arriba en relación con el suelo en una poderosa elevación de olas de montaña. Esto sucede a menudo. Dado que los vectores de sustentación y arrastre siempre se definen en relación con la masa de aire y no con el suelo, para una velocidad aerodinámica de estado estable dada, conservan la misma orientación en el espacio para un ángulo de ataque dado del ala, al igual que el planeador. conserva la misma actitud de cabeceo en el espacio, sin importar en qué dirección se mueva la masa de aire en relación con el suelo. A medida que el planeador sube lentamente hacia arriba, es obvio que el vector de sustentación y el vector de arrastre ahora amboscontienen componentes que actúan en la dirección de la trayectoria relativa al suelo, mientras que el vector de peso no lo hace. De manera similar, no es difícil imaginar un caso en el que el planeador se desplace hacia atrás y suba a lo largo de una trayectoria tal que solo el vector de arrastre contenga algún componente que actúe a lo largo del directorio de la trayectoria en relación con el suelo.

La idea de que un componente del vector de sustentación está ayudando a empujar el planeador hacia adelante a lo largo de la trayectoria de la aeronave vista desde el suelo solo es cierta cuando la relación de planeo lograda por la aeronave es mejor que la relación L/D, o cuando la aeronave está ascendiendo ( a menos que la aeronave se esté desviando hacia atrás a lo largo de una trayectoria de ascenso que es más plana que la dirección del vector de arrastre). Si no hay viento de cola, esto significa que el aire debe estar subiendo.

Por lo general, es más útil centrarse en la trayectoria de vuelo del planeador a través de la masa de aire en lugar de la trayectoria del planeador en relación con el suelo o en relación con otros marcos de referencia, pero todos estos puntos de vista son técnicamente válidos.

Cuando usamos la trayectoria de vuelo del planeador a través de la masa de aire como nuestro marco de referencia, la respuesta a la pregunta "¿Qué fuerza empuja a un planeador a volar?" es "la componente del vector de peso o gravedad que actúa paralelamente a la trayectoria de vuelo". En este marco de referencia, ni la sustentación ni la resistencia ejercen ninguna fuerza de "empuje", es decir, ninguna fuerza que actúe paralela a la trayectoria de vuelo y que apunte generalmente hacia adelante en lugar de hacia atrás.

Tenga en cuenta que se puede hacer una pregunta relacionada: "¿Qué impulsa a un planeador en vuelo"? El trabajo es fuerza por distancia y la potencia es trabajo por tiempo. Nuevamente, la respuesta dependerá de si estamos viendo el trabajo realizado a lo largo de la dirección de la trayectoria en relación con la masa de aire, o la dirección de la trayectoria en relación con el suelo. En el primer caso, la respuesta es simplemente "la componente del vector de peso que actúa paralela a la trayectoria de vuelo", mientras que en el último caso, la respuesta depende de la dirección en que se mueve la masa de aire con respecto al suelo.

Preguntas y respuestas relacionadas con ASE (incluidos algunos diagramas útiles)

¿Qué produce el Empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador? (Pregunta)

¿Qué produce el Empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador? (Respuesta)

Potencia 'gravitatoria' frente a potencia del motor (Pregunta)

Potencia 'gravitatoria' frente a potencia del motor (Respuesta)

Momento e inercia.

Los otros (gravedad, sustentación, arrastre) no son fuentes de energía, pero modifican las fuerzas de energía. Las fuerzas reales involucradas son el impulso y la inercia.