¿Qué produce empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador?

V es la velocidad del aire. U y w son las componentes horizontal y vertical de V. El resto de los vectores son fuerzas; W = peso, K = fuerza aerodinámica, L y D son las componentes ortogonales de K. Esas son todas las fuerzas involucradas en un planeo.

"¿Qué produce empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador?" Nada. No hay Empuje involucrado en el vuelo de planeo. Ascensor, Arrastre y Peso forman un triángulo vectorial cerrado, lo que significa que la fuerza neta es cero, lo que significa que no se produce aceleración ni desaceleración. El vector de peso se puede resolver en componentes perpendiculares y paralelos al vector de arrastre, pero notar que el peso tiene un componente que es paralelo al arrastre no es lo mismo que decir que existe una fuerza de empuje.

Vea estos diagramas vectoriales:

El equilibrio de fuerzas en el vuelo deslizante se puede representar mediante un triángulo vectorial cerrado de Ascensor, Arrastre y Peso, con un ángulo recto entre los vectores de Ascensor y Arrastre. Si lo deseamos, también podemos mostrar el vector de velocidad aerodinámica y podemos descomponerlo en sus componentes horizontal y vertical. El componente vertical del vector de velocidad aerodinámica es simplemente la tasa de caída.

Los tres diagramas vectoriales anteriores representan exactamente la misma situación física. Hemos representado las fuerzas aerodinámicas en negro y la fuerza gravitacional, el vector de peso, en verde. Los diagramas de la izquierda y de la derecha son más fáciles de entender que el diagrama del medio, porque los vectores de fuerza están ordenados en un polígono cerrado (un triángulo en este caso), lo que nos muestra instantáneamente que la fuerza neta es cero. En el diagrama de la derecha, también hemos incluido el vector de velocidad aerodinámica y sus componentes horizontal y vertical. Tenga en cuenta que K es el ángulo de planeo y que en el diagrama de la derecha, el triángulo formado por los vectores de fuerza y ​​el triángulo formado por los vectores de velocidad aerodinámica son triángulos semejantes. El diagrama de la derecha hace inmediatamente obvio por qué la relación de elevación a arrastre, es también igual a la relación de planeo a través del aire quieto, es decir, la relación entre la velocidad horizontal y la velocidad vertical (tasa de descenso). Tenga en cuenta que para relaciones L/D altas, la sustentación es casi tan grande como el peso, y la velocidad horizontal es casi tan grande como la velocidad aerodinámica, por lo que para la mayoría de los propósitos prácticos podemos usar la velocidad aerodinámica/tasa de descenso, la relación de planeo y L/D indistintamente. .

Tenga en cuenta que, si lo deseamos, podemos dividir el vector Peso en dos componentes, uno de los cuales es exactamente igual en tamaño y opuesto en dirección al vector Elevación, y uno de los cuales es exactamente igual en tamaño y opuesto en dirección al vector Arrastre. vector. Este último puede verse como algo así como Thrust, pero no es estrictamente correcto etiquetarlo como tal.

El vector de sustentación es proporcional al coeficiente de sustentación multiplicado por la velocidad aerodinámica al cuadrado. El vector de arrastre es proporcional al coeficiente de arrastre multiplicado por la velocidad aerodinámica al cuadrado. La relación entre la magnitud de los vectores de elevación y arrastre es idéntica a la relación entre los coeficientes de elevación y arrastre. Para una forma de aeronave fija dada, un cambio en el coeficiente de sustentación y/o el coeficiente de arrastre representa un cambio en el ángulo de ataque. Cada ángulo de ataque posible del ala está asociado con un coeficiente de sustentación específico, un coeficiente de arrastre específico y una relación de sustentación: arrastre específica. Esto es cierto independientemente de si la aeronave es pesada o liviana: un cambio en el peso se expresa como un cambio en la velocidad aerodinámica asociada con cualquier ángulo de ataque dado, pero no cambia el coeficiente de sustentación, el coeficiente de arrastre o la sustentación:

Es crucial comprender que los diagramas vectoriales anteriores serán válidos para volar en algún ángulo de ataque particular dado del ala INDEPENDIENTEMENTE de si la masa de aire se eleva, se hunde o no. Un planeador no siente ninguna diferencia en la dirección y magnitud de las fuerzas que actúan sobre él cuando se eleva en una poderosa ola de montaña, que cuando se desliza en el aire en calma.

Tenga en cuenta también que solo estamos tratando con el caso del nivel de las alas. En vuelo circular, las fuerzas aún se ven iguales en una vista lateral, pero la velocidad aerodinámica y la sustentación y la resistencia son más altas que en vuelo al nivel de las alas con el mismo ángulo de ataque, y la tasa de planeo disminuye, y desde una cabeza -a la vista veríamos que la parte del vector de elevación se ha desviado hacia un lado.

Volviendo al caso simple del vuelo al nivel de las alas:

¿Qué es "impulsar" el planeador?

El trabajo es proporcional a la fuerza por la distancia, y la potencia es proporcional a la fuerza por la velocidad. En el marco de referencia de la masa de aire, la dirección de desplazamiento del planeador es idéntica a la dirección a la que apunta el vector de velocidad aerodinámica. La única fuerza que realiza trabajo sobre la aeronave en esta dirección es la componente del vector de peso que apunta en la misma dirección que el vector de velocidad aerodinámica. Podemos descomponer el vector Peso en un componente que es igual y opuesto al vector Elevación y un componente que es igual y opuesto al vector Arrastre. El último componente es lo que "alimenta" al planeador, al menos visto desde el punto de vista del marco de referencia de la masa de aire. El último componente del vector Peso será igual a Peso * coseno (ángulo de deslizamiento). Entonces, el poder ejercido por este componente del vector Peso es igual a (Peso * coseno (ángulo de planeo)) * velocidad aerodinámica). Ahora, sucede que la tasa de caída es igual a (velocidad aerodinámica * coseno (ángulo de planeo)). Entonces podemos decir que el poder ejercido por la gravedad = (Peso * coseno (ángulo de planeo)) * velocidad aerodinámica) = (Peso * (coseno (ángulo de planeo)) * velocidad aerodinámica) = Peso * tasa de caída.

Como se ve desde el marco de referencia del suelo, la dirección de viaje del planeador es diferente cuando el planeador está en una masa de aire ascendente que cuando está en aire en calma, por lo que las fórmulas anteriores para el trabajo y la energía solo serán válidas en aire en calma. Desde el marco de referencia del suelo, la dirección de desplazamiento del planeador a veces es horizontal o ascendente, en cuyo caso se puede ver que el vector de sustentación tiene un componente que realiza trabajo en el planeador. Pero como se señaló anteriormente, la dirección y la magnitud de los vectores de elevación, arrastre y peso siguen siendo las mismas independientemente del marco de referencia que estemos usando para nuestros vectores de velocidad.

(Nota: esta respuesta se centra en el vuelo de planeo lineal en estado estable. No pretende abordar un caso en el que el planeador está acelerando. Tenga en cuenta que un cambio en la velocidad del aire afectará la magnitud de todoslos vectores de fuerza aerodinámica, y tenga en cuenta que cualquier desequilibrio entre L y el componente opuesto del vector W hará que la trayectoria de vuelo se curve hacia arriba o hacia abajo. El tema de cómo, comenzando con algún desequilibrio entre LD y W, un planeador vuelve a un estado estable donde L, D y W están nuevamente en equilibrio (en ausencia de entradas de control correctivo del piloto, típicamente a través de un serie de oscilaciones "fugoides" que disminuyen gradualmente y que implican variaciones continuas en el ángulo de planeo o ascenso, la velocidad vertical, la velocidad aerodinámica, la actitud de cabeceo y, en cierta medida, el ángulo de ataque), es fascinante pero está más allá del alcance previsto de esta respuesta. Asimismo, el objeto de loops y otras maniobras acrobáticas, o cualquier otra forma de vuelo acelerado.)

Ver respuestas relacionadas a preguntas relacionadas:

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

"Potencia 'gravitacional' frente a potencia del motor" -- https://aviation.stackexchange.com/a/56040/34686

"Descendiendo en una senda de planeo determinada (por ejemplo, ILS) a una velocidad aerodinámica determinada, ¿el tamaño del vector de sustentación es diferente en el viento de frente que en el viento de cola?" -- https://aviation.stackexchange.com/a/56259/34686

"¿Se levanta el mismo peso en una escalada?" -- https://aviation.stackexchange.com/a/56476/34686

En un estado estacionario sin aceleración, nada necesita producir una fuerza hacia adelante. La inercia indica que todas las fuerzas son iguales. Esto es así tanto si se sube como si se desciende o se mantiene una altitud constante.

Dado eso, siempre habrá una fuerza de arrastre tratando de frenar el planeador a lo largo de su trayectoria de vuelo. Para permanecer a una velocidad aerodinámica constante, solo se debe superar esta fuerza de arrastre. Dado que un planeador no produce empuje, la resistencia debe compensarse inclinando la trayectoria de vuelo hacia abajo, lo que hace que una parte de la gravedad contrarreste la fuerza de resistencia. Si divide la gravedad en coordenadas x e y con referencia a la trayectoria de vuelo, es la parte que es paralela a la trayectoria de vuelo la que contrarresta la resistencia.

Todo esto es suponiendo que no haya corrientes ascendentes.

Puede ser más fácil para usted comprender esto desde el punto de vista del balance de energía, de la siguiente manera: la tasa de descenso vertical en pies por segundo de un planeador por su peso produce la tasa de liberación de energía (pie-libras por segundo) que se disipa por las fuerzas de arrastre como desciende Dividiendo la tasa de liberación de energía por 550 se obtienen los caballos de fuerza necesarios para mantener el planeador en su planeo. Esta energía está siendo disipada por una fuerza de arrastre aplicada a la estructura del avión; esa fuerza multiplicada por la velocidad aerodinámica produce la potencia de arrastre. En un planeo de estado estable, la potencia de descenso es igual a la potencia de arrastre.

¿Qué crea la fuerza U? Sabemos que el planeador desciende verticalmente a una velocidad constante. Sabemos que el ala está inclinada hacia abajo en ángulo. ¿Cómo se traduce esto en un componente de velocidad horizontal? A medida que el "viento" del descenso vertical golpea la parte inferior del ala, parte de la energía la moverá hacia los lados.

Observe que un paracaídas perfectamente circular caerá hacia abajo. Con un planeador que se hunde, el estabilizador horizontal empujará la nariz hacia abajo, creando una superficie inclinada hacia el viento. Así es como la gravedad (el combustible) usa el ala (el motor) para crear empuje hacia adelante (Fuerza U).

En estado estacionario, la trayectoria de vuelo sería el resultado de las velocidades hacia adelante y vertical (U y w).

Los comentarios serán bienvenidos.

Aerodinámica. Lápiz y papel listos. Dibuja una línea recta a lo largo de la parte inferior del papel (suelo). Dibuje una línea horizontal en el medio del papel (nivel de vuelo horizontal). Tome un punto en el centro de la línea de vuelo. Este es tu CG. Dibuja un vector directamente hacia el suelo. Este es su vector de peso W. Dibuje un vector hacia arriba ya la derecha de CG (de igual longitud). Esta es su sustentación total Lt. Dibuje (de la cabeza a la cola) los componentes horizontal y vertical del vector de sustentación: Lv y Lh.

¿Que tenemos? Fuerzas fuera de equilibrio. El vector de elevación vertical Lv es más pequeño que W. Lh no tiene oposición. Por lo tanto, el punto debe acelerar hacia abajo y hacia un lado. Lo que detendrá la aceleración, arrastre de la velocidad. Me doy cuenta de que esto es una mano larga en comparación con el análisis de Quiet, pero se resuelve (de manera más realista) dividiendo el arrastre en componentes verticales y horizontales mientras mantiene el vector de gravedad bajo y tiene en cuenta la dirección de vuelo V.

Ahora dibuja cualquier planeador que te guste.

El peso$W$del planeador tiene dos componentes,$Wt$y Wn.$Wt$está en la misma dirección que$V$y$Wn$es perpendicular a$V$. Aerodinámico$F$también tiene dos componentes$L$y$D$, dónde$L$es perpendicular a$V$y$D$es paralelo a$V$.

Cuando$L = Wn$:

$Wt> D$, la aceleración lineal del planeador es positiva;$Wt <D$, la aceleración lineal del planeador es negativa;$Wt = D$, la aceleración lineal del planeador es cero.

Algunas personas piensan que sólo hay$L$,$D$, y$W$en el planeador. Esto no es del todo correcto. En pocas palabras, solo hay dos fuerzas en el planeador: una es aerodinámica$F$, y el otro es la gravedad$W$.$L$es solo el componente de$F$en una dirección perpendicular a$V$;$D$es solo el componente de$F$en una dirección paralela a$V$. Algunas personas piensan que$Wn$no existe, lo cual también es incorrecto.$Wn$es el componente de$W$en una dirección perpendicular a$V$;$Wt$es el componente de$W$en una dirección paralela a$V$.

¿Qué empuja el bloque hacia abajo?$V$es la velocidad a la que el bloque se mueve hacia abajo. El peso del bloque tiene dos componentes: Wn perpendicular a$V$y Wt paralela a$V$.$L$es la fuerza de reacción de la pendiente (plano inclinado) sobre el bloque. no es el$L$bloque de empuje que se mueve hacia abajo, porque$L$no tiene componente en la dirección de$V$. Wt es la fuerza que empuja el bloque hacia abajo.