¿Qué falta en estos diagramas de las fuerzas en resbalones y patines?

A) ¿Se ilustra correctamente la magnitud del vector de sustentación del ala en cada uno de los tres casos? ¿Realmente debería ser del mismo tamaño en cada caso?

No (en ambos casos).

B) ¿Qué fuerza aerodinámica real generada por la aeronave se ha omitido por completo en los dos segundos casos, pero debería incluirse para que los diagramas sean más comprensibles? Específicamente, para explicar por qué el vector etiquetado como "carga" no es el mismo en todas las figuras.

Deslizarse lateralmente.

Este es mi intento de describir mejor las fuerzas en un giro coordinado, derrapado y deslizante. Estos pensamientos representan mi mejor suposición y deben considerarse la base para una mayor discusión en lugar de un hecho.

La limitación más grande y algo importante de mi diagrama (que yo sepa) es que no muestra el papel crítico de la guiñada (debido a mi capacidad limitada para dibujar, en lugar de por diseño).

Idealmente, mostraría una guiñada alejándose del giro para un resbalón y una guiñada hacia el giro para un derrape.

Esto también serviría para aclarar que la aeronave representada se ve desde atrás (solo relevante para el desplazamiento de la bola deslizante que se muestra).

Otra limitación del diagrama, debido a su naturaleza 2D, es que no ilustra la resistencia convencional (a lo largo del eje longitudinal) y cómo varía con la guiñada durante un resbalón o derrape. es decir: la fuerza que actúa perpendicular hacia y fuera de la pantalla. Esto es importante ya que el diagrama vectorial no facilita la conceptualización de la resistencia total durante un vuelo descoordinado.

La clave para comprender los deslizamientos, derrapes y giros coordinados (según yo los entiendo) es reconocer el efecto del deslizamiento lateral en la fuerza aerodinámica total (TAF), que se define como la fuerza aerodinámica neta experimentada por la aeronave. Según el párrafo anterior, este diagrama solo considera el TAF a lo largo del eje lateral y, por lo tanto, no proporciona una imagen completa, aunque sirve para explicar completamente las diferentes velocidades de giro y los radios de giro resultantes.

Para ser claros, estoy usando el término deslizamiento lateral para referirme a la condición aerodinámica en la que un avión tiene un flujo de aire asimétrico sobre su eje longitudinal, lo que resulta en un grado de movimiento lateral con respecto al flujo de aire relativo.

El aire que incide en el lado expuesto de la aeronave crea efectivamente una fuerza lateral, que se denomina deslizamiento lateral en los diagramas.

El diagrama representa las fuerzas sobre la base de que, independientemente de si el giro es coordinado, resbala o patina, la aeronave mantiene una constante;

• ángulo de bandazo; y
• altitud (así levante [$TAF_{vertical}$] siempre es igual al peso); y
• velocidad aerodinámica

Esto significa que las principales variables son;

• AoA (potencia): representado indirectamente por el vector etiquetado como TAF

Quick recap on the aerodynamics of a turn:  

In any turn (assuming the constants above), the power requirements increase  
proportional to the rate of turn.  

In vector speak, a turn is achieved by tilting the TAF away from the vertical  
in the direction of the turn. The resulting horizontal component provides the  
centripetal acceleration required, thus the greater the tilt, the  
greater the rate of turn.

The consequence of tilting the TAF away from the vertical is a reduction in  
lift. In order to maintain altitude during a turn, the TAF must therefore be  
increased in order to keep the vertical component equal to what it was in  
level flight. This represents an increased power requirement.

En el diagrama, la longitud del vector TAF varía en cada escenario, por lo que cada uno tiene un requerimiento de potencia diferente.

Para cualquier ángulo de deslizamiento lateral dado (que representa una cantidad determinada de resistencia a lo largo del eje longitudinal), un giro con derrape requiere más potencia que un giro con deslizamiento debido al mayor valor de$a_c$. Estoy asumiendo que el arrastre lateral es el mismo en ambos casos (pero no sé si este es el caso).

Postulo que en algún ángulo de deslizamiento lateral, la potencia requerida para un giro deslizante será exactamente igual a la requerida para un giro coordinado. En este escenario, parte del poder utilizado para crear la fuerza de giro ($a_c$) durante un giro coordinado se usa para combatir la resistencia frontal adicional asociada con un giro deslizante, lo que da como resultado una velocidad de giro reducida.

Parece que un giro derrapado hace un mejor trabajo al girar que un giro coordinado. Esto es cierto, la velocidad de giro es mayor, así que ¿por qué no usar un giro derrapante para girar más rápido que un giro coordinado? Dejando a un lado los peligros aerodinámicos, es simplemente menos eficiente.

La clave para darse cuenta es que la tasa de giro lograda por unidad de potencia (es decir, eficiencia) es menor en un giro descoordinado (deslizamiento o derrape) ya que la potencia se desperdicia tanto en arrastrar la aeronave hacia los lados como hacia adelante (se crea resistencia adicional en la dirección de viaje ya que la aeronave presenta una sección transversal mayor al flujo de aire relativo).

Por lo tanto, para lograr un radio de giro dado, es más eficiente (requiere menos potencia) realizar un giro coordinado con un ángulo de alabeo más alto que un giro derrapando con un ángulo de alabeo menor o un giro coordinado con un ángulo de alabeo más bajo. alabeo que un viraje resbaladizo con un ángulo de alabeo mayor.

• radio de giro

  El radio de giro está determinado por nada más que el componente horizontal del TAF, identificado como$a_c$en los diagramas.

  Una aceleración centrípeta más alta da como resultado un radio de giro más pequeño y una aceleración centrípeta más baja da como resultado un radio de giro más grande.

Perspectivas:

• el TAF varía de acuerdo a cuán coordinado sea el vuelo, para mantener el valor de sustentación ($TAF_{vertical}$) constante (es decir: para mantener la altitud en el viraje)
• la gravedad / carga aparente y cómo cambia se explica simplemente como la fuerza de reacción igual y opuesta a la variable TAF (en lugar de un resultado de la fuerza centrípeta y su fuerza centrífuga hermana ficticia)
• en un giro con deslizamiento nivelado , el deslizamiento lateral se opone a la componente horizontal de sustentación ($a_c$) aumentando el radio de giro
• en un viraje de derrape nivelado , el deslizamiento lateral refuerza el componente horizontal de sustentación ($a_c$) reduciendo el radio de giro

Comentarios y críticas bienvenidos.

Al incluir el vector etiquetado como "fuerza centrífuga", los ilustradores han señalado que están basando su marco de referencia en la aeronave misma, no en la tierra o la masa de aire.

El marco de referencia basado en la aeronave no es un marco de referencia inercial válido.

El avión no puede acelerar con respecto a sí mismo. La fuerza neta en el propio marco de referencia de la aeronave debe ser cero. Sin embargo, eso no es lo que vemos ilustrado en los diagramas para los casos de "deslizamiento" y "derrape".

Sería mejor omitir el vector de "elevación" por completo y solo mostrar el vector de carga, el vector de peso y el vector de "fuerza centrífuga", que dar la falsa impresión de que las fuerzas aerodinámicas reales generadas por la aeronave son idénticas en los tres casos.

Lo que falta en los diagramas de "deslizamiento" y "derrape" es la fuerza lateral aerodinámica generada por el fuselaje cuando vuela lateralmente por el aire. Cuando este vector se suma al vector de sustentación, terminamos con un vector de fuerza aerodinámica neta que es igual en magnitud y opuesta en dirección al vector etiquetado como "carga".

Para que esto funcione, el vector de sustentación debe reducirse en tamaño en el caso de deslizamiento y debe aumentarse en tamaño en el caso de deslizamiento.

Dibujados de esta manera, los diagramas ayudarían al lector a comprender la verdadera razón por la cual la bola del inclinómetro se desplaza hacia un lado en un resbalón o patín. Fundamentalmente, se debe a la fuerza aerodinámica creada por el flujo de aire que golpea el costado del fuselaje. Como resultado, el vector de fuerza aerodinámica neta ya no es "hacia arriba" (es decir, paralelo a la aleta vertical) en el propio marco de referencia de la aeronave. Entonces, la pelota, el cuerpo del piloto y el resto del contenido de la aeronave tienden a desplazarse hacia la punta del ala baja en un deslizamiento, y hacia la punta del ala alta en un derrape.

Dibujados correctamente, los diagramas enseñarían al lector este concepto, independientemente de si se elige incluir o no el vector de "fuerza centrífuga".

Dibujados correctamente, los diagramas también enseñarían al lector que la carga "sentida" por el avión, la bola de deslizamiento, el cuerpo del piloto, etc., es el resultado directo de las fuerzas aerodinámicas generadas por el avión. El vector de "carga" siempre debe ser la imagen especular del vector de fuerza aerodinámica neta.

Dibujados correctamente, los diagramas ayudarían al lector a comprender por qué aumentar o disminuir la fuerza de sustentación moviendo la palanca o el yugo hacia adelante o hacia atrás durante un giro coordinado normal no hace que la bola de deslizamiento-derrape se desvíe hacia un lado o hacia el otro, aunque la velocidad de giro se altera. Siempre que el vector de fuerza aerodinámica neta actúe directamente "hacia arriba" en el marco de referencia de la aeronave, el vector de "carga" aparente debe actuar directamente "hacia abajo" en el marco de referencia de la aeronave, independientemente de si la velocidad de giro es "correcta" para el banco. ángulo y velocidad aerodinámica, o se ha aumentado o disminuido temporalmente a través de una entrada de control de cabeceo. (Naturalmente, tales variaciones en la fuerza de sustentación también harán que la trayectoria de vuelo se curve hacia el cielo o hacia la tierra; para un ángulo de alabeo dado, hay

A partir de los vectores de "carga" que nos han dado aquí, ¿cómo se verían los diagramas corregidos? Se verían como la fila superior de diagramas descritos en el resto de esta respuesta.

Se agregarán diagramas, por ahora tendremos que usar nuestra imaginación.

Me refiero específicamente al segundo diagrama, el de la edición de 2016 del "Manual de conocimiento aeronáutico del piloto", donde los aviones están claramente dibujados exactamente en el mismo ángulo de alabeo.

Imagine cuatro filas de diagramas, cada uno basado en el diagrama mencionado anteriormente, pero modificado de la siguiente manera:

Primera fila: fuerzas en el marco de referencia de la aeronave (no es un marco de referencia inercial válido)

Peso y "fuerza centrífuga" y "carga" como se ilustra en el original. Tenga en cuenta que "carga" es la suma vectorial de peso y "fuerza centrífuga".

Las cifras incluirán un vector de fuerza aerodinámica neta (no se muestra en el original). El vector de fuerza aerodinámica neta debe ser exactamente igual y opuesto a la "carga" en las tres figuras.

El vector de sustentación es correcto en la figura 1 del original (coordinado) y es igual que la fuerza aerodinámica neta. Entonces, la figura 1 de la primera fila de respuesta es esencialmente la misma que la original.

El vector de sustentación debe ser más corto en la figura 2 (deslizamiento), y debe haber un vector de fuerza lateral aerodinámica que actúe en ángulo recto con el vector de sustentación, apuntando hacia el lado derecho de la página y hacia arriba. Esa es la fuerza que falta en el diagrama. Es generado por el aire que golpea el costado del fuselaje. La suma vectorial de sustentación más fuerza lateral es el vector de fuerza aerodinámica neta, y debe ser exactamente igual y opuesto al vector de "carga".

El vector de sustentación debe ser más largo en la figura 3 (derrape), y debe haber un vector de fuerza lateral aerodinámica que actúe en ángulo recto con el vector de sustentación, apuntando hacia el lado izquierdo de la página y hacia abajo. Esa es la fuerza que falta en el diagrama. Es generado por el aire que golpea el costado del fuselaje. La suma vectorial de sustentación más fuerza lateral es el vector de fuerza aerodinámica neta, y debe ser exactamente igual y opuesto al vector de "carga".

Con las figuras dibujadas de esta manera, podemos ver que en realidad "cargamos" el ala en un derrape, en el sentido de que la forzamos a crear más sustentación de la que normalmente necesitaríamos para un ángulo de alabeo dado, asumiendo que no estamos permitiendo que la trayectoria de vuelo se curve hacia la tierra. La velocidad de giro también aumenta y el radio de giro disminuye.

(Por otro lado, si mantenemos fijo el radio de giro y dejamos el ángulo de alabeo sin restricciones, entonces un derrape en realidad "descarga" el ala, porque implica un ángulo de alabeo menos profundo).

Segunda fila: fuerzas que actúan sobre las aeronaves en el marco de referencia terrestre (o en el marco de referencia de la masa de aire que se mueve a velocidad constante) -- (estos son marcos de referencia de inercia válidos, al menos desde un punto de vista elemental que considera la gravedad como una fuerza real).

Igual que el anterior, pero se omiten la fuerza "centrífuga" y la "carga". Se puede agregar un vector de fuerza neta que es la suma vectorial de la fuerza aerodinámica neta y el peso. Es horizontal, y exactamente igual y opuesto al vector (omitido) de "fuerza centrífuga". Es el vector de fuerza centrípeta el que provoca el giro. Para un ángulo de alabeo dado, es menor en el deslizamiento y mayor en el derrape que en un vuelo coordinado.

Tercera fila, solo fuerzas aerodinámicas, igual que arriba, pero ahora también se omite el peso. Ahora hay menos desorden para desviar nuestra atención del vector de fuerza aerodinámica neta. Tenga en cuenta que el vector aerodinámico neto está alineado con el sentido de "arriba" de la aeronave (es decir, la dirección en la que apunta la aleta vertical) en vuelo coordinado, pero no en el deslizamiento o derrape. Esta es posiblemente la fila más importante de diagramas. Nos muestra lo que realmente "siente" el piloto.

O si tiene más sentido para nosotros, podemos tener una cuarta fila, "fuerza de inercia aparente" "sentida" por el piloto, exactamente igual y opuesta al vector de fuerza aerodinámica neta en la fila 3. Solo este vector de fuerza para cada figura, con todas las fuerzas aerodinámicas omitidas. Es válido decir que esta fuerza de inercia aparente es causada puramente por el vector de fuerza aerodinámica neta. También es válido señalar que es exactamente igual a la suma vectorial de la gravedad y la "fuerza centrífuga", aunque no se incluirán en la cuarta fila de diagramas. También es válido observar que el vector de "fuerza de inercia aparente" es exactamente lo mismo que el vector etiquetado como "carga" en la fila superior de los diagramas.

A diferencia de los diagramas en la pregunta, los diagramas en la respuesta no mostrarán el vector de sustentación del ala descompuesto en componentes horizontales y verticales. No se proporciona una idea real al hacer eso, especialmente cuando omitimos por completo el vector de fuerza lateral aerodinámica generado por el flujo de aire que golpea el costado del fuselaje.

A diferencia de los diagramas en la pregunta, los diagramas en la respuesta no darán la ilusión de que de alguna manera el vector de fuerza aerodinámica neta está "equilibrado con" (igual y opuesto) el vector de carga, o la suma vectorial de peso y fuerza centrífuga, en el giro coordinado, pero no en el deslizamiento o el derrape. Eso simplemente no es cierto. El vector de carga es igual y opuesto al vector de fuerza aerodinámica neta en los tres casos. Desde un punto de vista, el vector de fuerza aerodinámica neta es lo que causa el vector de carga.

A diferencia de los diagramas en la pregunta, los diagramas en la respuesta no darán la ilusión de que el vector de "fuerza centrífuga" está exactamente "equilibrado con" (igual y opuesto) el componente horizontal del vector de fuerza aerodinámica neta en el giro coordinado, pero no en el resbalón o el patín. Una vez más, eso simplemente no es cierto. El vector de "fuerza centrífuga" es igual y opuesto a la componente horizontal del vector de fuerza aerodinámica neta en los tres casos. Porque fundamentalmente, en este caso específico donde la componente vertical de la aceleración está restringida a cero, podemos observar que el vector de fuerza centrífuga es causado completamente por la componente horizontal del vector de fuerza aerodinámica neta.

A diferencia de los diagramas en la pregunta, los diagramas en la respuesta no darán la falsa impresión de que algo misterioso, presumiblemente relacionado de alguna manera con la velocidad de giro, pero aparentemente de alguna manera no relacionado con ninguna fuerza aerodinámica real, está afectando mágicamente la cantidad de "fuerza centrífuga". " la aeronave está generando en el derrape o en el derrape.

Si los diagramas en la respuesta realmente incluyen la figura del avión (no soy un gran artista), debe dibujarse guiñada hacia el lado alto del giro en el deslizamiento y guiñada hacia el lado bajo del giro en el patín. La ruta de vuelo se dibujará saliendo directamente de la página hacia el espectador, por lo que se omitirán las pequeñas flechas que sugieren que el avión se desliza hacia abajo y hacia la izquierda en el deslizamiento, y hacia arriba y hacia la derecha en el deslizamiento.

Una pregunta interesante es si se debe considerar que los vectores de fuerza lateral aerodinámica mencionados anteriormente incluyen el vector de empuje lateral causado por la orientación lateral de la línea de empuje en relación con la aeronave. Como se describió anteriormente, parece que deberían, pero curiosamente, la componente lateral del vector de empuje no tiene tendencia a desplazar la bola de deslizamiento y derrape, porque no tiene componente lateral en relación con la bola de deslizamiento y derrape, o en relación con el asiento del piloto para ese asunto. Si incluimos el vector de empuje lateral como parte del vector de fuerza lateral aerodinámica, entonces no estamos realmenteutilizando un marco de referencia totalmente alineado con la aeronave misma, sino un marco de referencia alineado con la dirección de la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire en cualquier instante dado. Es interesante pensar en otros análogos, por ejemplo, tal vez un trineo de fondo plano en un lago helado que realiza un giro guiñando hacia un lado y luego disparando un propulsor que apuntaba exclusivamente en la dirección hacia atrás en relación con el asiento del conductor. sería equivalente a un giro de deslizamiento plano que de alguna manera se realizó usando solo la fuerza lateral generada al girar la línea de empuje hacia un lado, con la fuerza lateral aerodinámica del aire golpeando el costado del fuselaje de alguna manera jugando solo un papel insignificante. Un análogo aerotransportado sería una aeronave perfectamente esférica con un motor fijo en la parte trasera, además de propulsores que podrían establecer cualquier ángulo de guiñada deseado entre la trayectoria de vuelo y el rumbo. Los virajes en derrape en una aeronave de este tipo no perturbarían la bola de deslizamiento-derrape.