¿Se aplica el "efecto de péndulo" a las alas delta o cualquier avión?

Para una discusión adecuada, primero debemos definir qué es un péndulo. Solo así se puede establecer si tal efecto puede existir en los aviones.

Basemos la definición en Wikipedia . Dice que

Un péndulo es un peso suspendido de un pivote para que pueda oscilar libremente.

Tal vez también valga la pena mirar más de cerca qué es un pivote : una cosa sobre la que gira algo.

Entonces, el péndulo se fija a un punto de apoyo que lo mantiene suspendido y le permite oscilar libremente. El péndulo ideal tiene toda su masa en su enorme lenteja y, por lo tanto, el pivote y el centro de gravedad no están en el mismo lugar. Si el centro de gravedad y el pivote cayeran juntos, un péndulo solo podría girar pero no balancearse. Y ese movimiento oscilante es de lo que se trata el péndulo.

Ahora para aviones: Aquí no tenemos pivote. Toda rotación solo puede ocurrir alrededor del centro de gravedad. Esto es equivalente al péndulo sin longitud que ya no es un péndulo. Pero, ¿qué pasa con las alas delta? Usando el boceto de Pilothead, consideremos cómo un ala delta inicia un movimiento de balanceo y comparémoslo con cómo lo hace un planeador. Los dos bocetos superiores muestran a cada uno en un vuelo recto constante, mientras que los dos bocetos inferiores muestran a ambos iniciando un giro hacia la derecha:

En ambos casos, se necesita un desequilibrio lateral para crear un momento de balanceo (flecha redonda roja). Mientras que el piloto del ala delta desplaza toda el ala lateralmente, el piloto del ala delta ordena una diferencia de sustentación entre ambas alas usando alerones. Tenga en cuenta el desplazamiento del ala delta hacia la derecha y con él el centro de elevación en el dibujo inferior izquierdo: El centro de gravedad permanece donde está debido a la conservación del impulso, mientras que el piloto se desplazará ligeramente hacia la izquierda. En el caso del planeador, no se produce tal desplazamiento lateral de la nave; en cambio, la distribución de sustentación se desplaza para crear el desequilibrio. El efecto es el mismo: un desplazamiento lateral entre el peso y la sustentación que provoca un momento de balanceo. El balanceo ocurre alrededor del centro de gravedad (debido a la conservación del impulsode nuevo) y en todos los casos no hay desplazamiento entre el punto de pivote y el punto de trabajo del peso, porque ambos son lo mismo: El centro de gravedad.

Un ala delta es solo superficialmente diferente de un avión porque el centro de sustentación se desplaza activamente desplazando el ala lateralmente en lugar de un cambio en la distribución de sustentación (despreciando la influencia de la masa del piloto en el aparejo de cada ala), pero en todos los casos el el vehículo girará alrededor de su centro de gravedad. El peso no tiene brazo de palanca en ese centro de gravedad, por lo que no puede haber efecto de péndulo. O efecto quilla, para el caso.

En teoría, el efecto de péndulo existe en el aire acondicionado de ala alta, pero el efecto es insignificante porque el brazo de momento del centro de masa es muy corto en relación con el centro aerodinámico lateral. Al igual que con diedro, para que el efecto funcione, debe tener un deslizamiento lateral, y el centro de masa debe estar debajo del centro aerodinámico lateral del fuselaje que se desliza lateralmente para que la gravedad cree un momento de balanceo frente a la fuerza lateral.

La mejor manera de imaginarlo es llevarlo al extremo; imagine un peso instalado rígidamente en un poste sólido que se extiende 50 pies por debajo del fuselaje. Si el avión se desliza, se generará una fuerza de sustentación lateral opuesta a la dirección del deslizamiento lateral centrada en algún lugar del fuselaje, y con el centro de masa muy por debajo debido al peso en el poste, el centro de masa va a querer llegar debajo del fuselaje. En un avión normal de ala alta, este efecto es insignificante, si es que lo hay.

Sin embargo, no para parapente. El efecto de péndulo proporciona toda la estabilidad lateral de un paracaídas. Si un paracaídas comienza a deslizarse lateralmente, tu trasero quiere meterse debajo porque el centro de masa está abajo donde estás y el centro aerodinámico lateral está arriba en el ala. El efecto de péndulo en un paracaídas es tan fuerte que pueden inclinarse derrapando, aunque el derrape es inducido por el aumento de la sustentación en la mitad interior del ala (es el arrastre que lo acompaña el que hace el giro real). En otras palabras, el efecto de péndulo domina el momento de balanceo opuesto del borde de fuga bajado.

En un avión de ala alta, el principal efecto de la configuración es el diedro aerodinámico, que es la sustentación diferencial creada por el deslizamiento lateral donde el flujo longitudinal se obstruye debajo del ala pero no arriba por la configuración en T, que tiende a aumentar la sustentación del ala baja. Un avión de ala alta puede tener suficiente efecto de autonivelación del diedro aerodinámico que puede salirse con la suya sin diedro geométrico, y el ala es recta, aunque la mayoría incluye algún diedro geométrico también.

Un buen ejemplo de esto es el bombardero de agua CL-215. Las alas son rectas y hay suficiente efecto diedro debido a la ubicación del ala en T para satisfacer las necesidades de estabilidad de balanceo de la misión de la aeronave. Pero, cuando se realizó la conversión al turbohélice CL-415, se descubrió que las góndolas planas de los motores PW123 tenían un efecto de bloqueo en el flujo longitudinal por encima del ala en deslizamiento lateral que equivalía a extender el fuselaje por encima del ala, matando mucho del efecto diedro aerodinámico. Cualquier efecto de péndulo que hubo allí no fue significativo (en todo caso, el centro de masa del 415 fue más bajo debido a los motores más ligeros frente a los R2800 del 215).

La solución para el CL415 fue una de las curitas aerodinámicas más grandes que he visto, esas extrañas pequeñas extensiones de punta de ala (NO son alerones) que crean el efecto diédrico suficiente en el deslizamiento lateral para restaurar lo que se perdió al agregar la aleta. -como góndolas.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Canadair_CL-415_Filling.jpg

Se ve lo contrario con aviones de ala alta con barrido porque hay un fuerte efecto diédrico del propio barrido. La combinación de configuración T y barrido crea demasiado efecto diédrico. Entonces, casi todos los aviones de ala alta con alas en flecha tienen anédrico para cancelar el exceso.

El "efecto de péndulo", tal como se usa en la teoría aerodinámica, NO implica necesariamente un peso que puede oscilar libremente. Tal vez sea una frase pobre para describir de lo que estamos hablando, pero es la que se ha vuelto común. También es un poco engañoso porque implica que la gravedad en sí misma ejerce de alguna manera un par de balanceo directo en el avión. En realidad, ese no es el caso: la gravedad o el peso actúan en el CG y, por lo tanto, no ejercen un par de giro directo. Aún así, una ubicación baja del centro de gravedad SÍ tiende a conducir a un par de balanceo estabilizador que es muy parecido al par de balanceo aportado por diedro, barrido, etc. Todos estos efectos contribuyen a un par de balanceo estabilizador "a favor del viento" en presencia de deslizamiento lateral. Se podría decir que todos estos efectos cambian el "diedro efectivo" general de la aeronave.

Considere modelos de aviones de vuelo libre con el ala en un pilón muy por encima del fuselaje. Considere los parapentes que tienen una fuerte geometría anédrica en el ala arqueada y, sin embargo, son generalmente bastante estables al rodar, como lo ilustran innumerables historias de vuelos en la nube tanto deliberados como accidentales en tales aviones con instrumentación mínima y, sin embargo, con resultados aceptables.

Tenga en cuenta que las múltiples líneas que conectan al piloto del parapente con el ala actúan esencialmente como puntales fijos debido a la geometría triangular involucrada.

La clave para entender el "efecto péndulo" radica en comprender que un viraje generalmente implica cierto deslizamiento lateral (por razones que no son simples), y que durante un deslizamiento lateral, la fuerza de arrastre de la aeronave tiene un componente lateral en relación con el eje longitudinal de la aeronave, y también generamos una fuerza lateral aerodinámica ("elevación lateral", que actúa perpendicularmente a los vectores de sustentación y arrastre) cuando el flujo de aire golpea el costado del fuselaje, la cola vertical, etc. Cualquier fuerza lateral que actúe por encima o por debajo del CG contribuirá con un torque de balanceo .

En un parapente, la misma geometría anédrica del ala que debe contribuir con cierta cantidad de torsión de balanceo "contra el viento" desestabilizadora durante un deslizamiento lateral debido a la diferencia en el ángulo de ataque entre las mitades izquierda y derecha de la vela o del ala, también expone una gran gran cantidad de área de superficie para el flujo lateral, muy por encima del centro de gravedad, lo que contribuye a un par de balanceo "a favor del viento" estabilizador: el "efecto de péndulo". Obviamente en un parapente, este último domina sobre el primero.

Los aviones de ala alta se benefician de una mayor estabilidad de balanceo debido al "efecto de péndulo", aunque también hay un par de balanceo adicional "a favor del viento" creado por la interferencia entre el fuselaje y las alas. Este último puede estar ausente si el ala está montada sobre puntales altos sobre el fuselaje, la configuración de "parasol".

En un ala delta, el piloto cuelga de una correa flexible que normalmente se conecta cerca del centro de gravedad del avión. En tal caso, un "efecto de péndulo" solo está presente cuando el piloto se bloquea en su lugar con los brazos, es decir, cuando usa sus músculos para hacer una entrada de balanceo. Cuando tiene las manos libres, su peso actúa en el CG y no hay un "efecto de péndulo", aunque durante un deslizamiento lateral, su cuerpo tiende a desplazarse ligeramente (unas pocas pulgadas) hacia el lado "contra el viento" del marco de control. , tal como lo haría una bola de deslizamiento. Tenga en cuenta que la tendencia del piloto a balancearse ligeramente hacia el lado contra el viento del marco de control durante un deslizamiento es simplemente un reflejo del componente lateral del ala. La fuerza de arrastre más la fuerza lateral aerodinámica generada por el ala; si fueran cero, el piloto no tendría tendencia a desviarse hacia el lado contra el viento del marco de control, y una bola de deslizamiento permanecería centrada. (De hecho, en tal caso, el viento empujaría al piloto hacia el otro lado del marco de control, el lado a favor del viento, durante un resbalón. El cuerpo del piloto actuaría más como una cuerda de guiñada que como una bola resbaladiza y resbaladiza. Esto no es lo que observamos en la práctica.)

En esta respuesta, salvo que se indique específicamente lo contrario, consideraremos el ala delta en el caso de "manos libres", es decir, cuando el piloto ejerce una fuerza muscular cero. La misma dinámica también afecta las entradas de control (fuerza muscular) que el piloto debe ejercer para obtener un resultado determinado (por ejemplo, la velocidad de balanceo), pero no exploraremos eso muy profundamente en esta respuesta.

En algunos diseños más antiguos, la "correa colgante" del piloto se conectaba al ala delta varios pies por debajo del "tubo de la quilla"; en este caso, el peso del piloto actuaba muy por debajo del centro de gravedad del planeador, por lo que las fuerzas aerodinámicas laterales generadas por el ala durante un resbalón contribuyó de hecho a un "efecto de péndulo" estabilizador. En tal caso, es igualmente válido mirar al piloto y al planeador como cuerpos separados, y notar el torque de balanceo generado por el tirón lateral de la correa colgante del piloto en el planeador, o ver el planeador y el piloto como un solo sistema (con la masa del piloto que se considera que está ubicada en el punto donde la "correa colgante" se conecta al planeador), y observe el par de balanceo generado por las fuerzas aerodinámicas laterales que actúan sobre el CG de todo el sistema.

En muchos ala delta modernos, la "correa para colgar" del piloto en realidad se conecta al planeador hasta la mitad del poste principal, o en los planeadores sin poste principal, en un pequeño trozo que sobresale varias pulgadas por encima del tubo de la quilla. En este caso, el peso del piloto actúa por encima del CG del planeador, por lo que la interacción entre las fuerzas aerodinámicas laterales en un deslizamiento y la masa del piloto contribuye a un par de balanceo desestabilizador "contra el viento", un efecto "anti-péndulo". . Esto se hace para aumentar la maniobrabilidad. Los ala delta experimentan un deslizamiento lateral considerable debido a la guiñada adversa durante el balanceo, por lo que un "diedro efectivo" excesivo, que contribuye con un par de balanceo excesivo "a favor del viento" en presencia de deslizamiento lateral, es muy indeseable y limita en gran medida la velocidad de balanceo que se puede lograr.

Tenga en cuenta que el ala en forma de gaviota que vemos en muchas alas delta, especialmente en una vista del borde de fuga, aporta una geometría diédrica a la parte interior del ala y una geometría anédrica a la parte exterior del ala. Incluso si el resultado neto en términos de un efecto diédrico puro es cero, lo que puede ser el caso o no, este tipo de diseño aumenta la cantidad total de área de superficie expuesta al flujo de aire lateral durante un deslizamiento lateral. Por lo tanto, el componente de fuerza aerodinámica lateral durante un deslizamiento será mayor con un diseño de este tipo que con un ala completamente plana. Esto probablemente se describa mejor como una consecuencia no deseada de una forma de ala que evolucionó por otras razones. En algunos ala delta más antiguos que tenían mucho más "oleaje" en la vela, más "arqueo" en el borde de fuga, que los diseños actuales,

Como se señaló anteriormente, la relación entre el ángulo de alabeo, el giro y el deslizamiento es compleja. Es impulsado en parte por el aumento de la resistencia que experimenta la punta del ala externa en el vuelo de giro, debido a su mayor velocidad aerodinámica. Es un error pensar que la inclinación genera automáticamente un deslizamiento simplemente porque el peso ahora tiene un componente lateral en el marco de referencia de la aeronave. También es un error pensar que la inclinación genera automáticamente un deslizamiento simplemente porque el vector de sustentación ahora está inclinado con respecto a la tierra y el vector de sustentación del ala ahora tiene un componente horizontal; eso es cierto en cualquier giro inclinado, con deslizamiento o no. A veces, la inercia rotacional de guiñada puede desempeñar un papel importante, aunque transitorio, en la causa del deslizamiento lateral. En vuelo real, en muchas aeronaves (incluidos los ala delta) podemos observar que el deslizamiento se debe principalmente a la velocidad de alabeo y, en mucha menor medida, a la velocidad de guiñada. Un ejemplo de un caso en el que a menudo podemos ver un deslizamiento lateral sustancial sin velocidad de balanceo es cuando pasamos por encima de un wingover, con un ángulo de alabeo de 90 grados, sin intervención del timón. Una exploración completa de exactamente qué maniobras implicarán deslizamiento lateral, y en qué medida y por qué, está mucho más allá del alcance de esta respuesta.