¿Por qué los aviones levantan el morro para ascender?

Un avión que sube necesita menos sustentación aerodinámica que en un vuelo horizontal, no más.

Ahora tengo su atención, espero. La razón es bastante simple:

Elevación es igual a peso, y solo porque el piloto elige un ángulo de trayectoria de vuelo diferente, el peso de la aeronave no cambia. El total de todas las fuerzas de sustentación aún debe equilibrar el peso, pero en el ascenso obtiene una pequeña contribución de sustentación de los motores porque su (su) empuje apuntará hacia arriba al igual que el resto de la estructura del avión.

No dejes que las muchas flechas y letras griegas te confundan. Para estar en equilibrio, la sustentación (L, azul oscuro), la resistencia (D, rojo), el empuje (T, verde) y el peso (m⋅g, negro) deben sumar de tal manera que puedan combinarse en una secuencia cerrada de vectores. . He hecho esto con los vectores de colores más claros alrededor del peso. Dado que la trayectoria de vuelo apunta hacia arriba, también lo hace el empuje, que ahora tiene una pequeña componente vertical. El vector de elevación puede ser un poco más corto ahora.

Considere el caso extremo de ascenso vertical: ahora todo el empuje soporta el peso y ya no se necesita sustentación aerodinámica.

Hay un segundo efecto, mucho más sutil: cuando subes, el aire se vuelve más delgado y el rendimiento del motor disminuye proporcionalmente. A la misma velocidad del aire indicada, la aeronave disminuirá continuamente su velocidad de ascenso, y esta desaceleración libera una pequeña fuerza de inercia, que nuevamente se suma a la sustentación y contrarresta el peso.

Por el contrario, al comienzo de una fase de ascenso, la aeronave necesita crear momentáneamente más sustentación para acelerarse hacia arriba. Solo entonces, cuando aumenta la velocidad de ascenso, la sustentación debe ser mayor que el peso para vencer el efecto de inercia que en este momento trabaja hacia abajo. Para los supernerds: si integras el déficit de sustentación en el tiempo del efecto antes mencionado y la sustentación adicional en el tiempo para la aceleración de ascenso, ambos se cancelan exactamente.

Para responder a su pregunta directamente: para escalar necesita aumentar el exceso de energía, no la velocidad. Esto normalmente se hace aumentando la potencia del motor, o compensando el avión a una velocidad más baja donde la resistencia es menor, por lo que queda más potencia para ascender. Esta pregunta contiene más detalles sobre cómo hacer que un avión ascienda. Tenga en cuenta especialmente la analogía del balde de @SteveV.

Si utiliza la energía cinética del avión como fuente de empuje, el mismo mecanismo se puede aplicar a los ascensos estacionarios, donde la velocidad se cambia por la altitud, como en los planeadores.

La actitud de nariz arriba es simplemente el resultado de una trayectoria de vuelo diferente. Dado que la sustentación aerodinámica requerida será casi la misma, el ángulo de ataque también será casi el mismo y toda la aeronave debe volar con el morro hacia arriba. Esto es similar a un automóvil que tiene la misma actitud hacia la carretera, pero cuando conduce cuesta arriba, tanto el automóvil como la carretera se inclinarán hacia arriba.

Esta analogía se rompe cuando cambias de velocidad: volar a una velocidad más baja necesita más ángulo de ataque para crear la misma sustentación, y este cambio de morro hacia arriba se agregará a tu ángulo de actitud.

Considere el flujo de aire relativo. Cuando un avión no está ascendiendo, el flujo de aire relativo es horizontal, por lo que el ángulo en el que el aire se encuentra con las alas, es decir, el ángulo de ataque, se mide desde el horizonte (Caso A en el diagrama). Sin embargo, cuando un avión asciende, el viento relativo se inclina hacia abajo por la componente de ascenso de la velocidad del avión. Si el avión no inclinara el morro hacia arriba, el ángulo de ataque se aproximaría a cero a medida que aumentara la velocidad de ascenso, reduciendo la sustentación y la eficiencia (Caso B), por lo que el avión debe inclinar el morro hacia arriba para mantener el ángulo de ataque en un rango eficiente (Caso C). !

Si bien la respuesta de @Peter Kämpf es verdadera y sólida, creo que pierde un punto y realmente no responde la pregunta principal del OP.

¿Es correcto que básicamente un avión solo necesita acelerar para ascender?

Sí, esto es básicamente correcto. Una velocidad horizontal más alta produce más sustentación, por lo que hará que la aeronave ascienda. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/WindTunnel/Activities/lift_formula.html

Pero no es la única forma de hacer que un avión ascienda. Aumentar el tono (mientras que también da más empuje) es el otro y ha sido explicado por Peter.

¿Cuál es más eficiente? Un avión está diseñado para una eficiencia óptima a velocidad de crucero y vuelo nivelado. Por lo tanto, es posible que desee mantener su velocidad dentro de un rango estrecho alrededor de ese óptimo. Aumentar la velocidad aerodinámica también aumentará la resistencia (al cuadrado de v) consulte https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/drageq.html La resistencia es lo que definitivamente desea minimizar porque es energía que se pierde completamente (se transforma en calor).

Esta es la razón por la que aumentar el cabeceo/AoA, mientras se mantiene constante la velocidad aerodinámica, es la mejor manera de hacerlo. De esta manera, la resistencia se mantiene casi igual. Por supuesto, aún necesita proporcionar más empuje (por lo tanto, energía), ya que ahora parte de su empuje se dirige hacia abajo (y parte de su sustentación hacia atrás), pero está convirtiendo esta energía más directamente en altitud, eliminando la pérdida de resistencia.

Entonces, para responder a su pregunta, sí, es posible ascender en una actitud horizontal estricta aumentando la velocidad aerodinámica, pero es más eficiente desde el punto de vista energético ascender aumentando el cabeceo. (El empuje aumenta en ambos sentidos)

Puedes responder a esta pregunta empíricamente.

Ajuste su avión para un vuelo recto y nivelado y ajuste la potencia a Vy. Mire la IA o el horizonte visual y observe la actitud de cabeceo.

Ahora establezca la potencia en su configuración de ascenso Vy y configure la aeronave (bola, flaps de capó, mezcla, hélice, etc.) para la configuración de ascenso, pero no vuelva a ajustar el elevador. Ajuste los alerones para mantener un vuelo recto.

El avión cabeceará por sí mismo hasta su actitud de ascenso Vy.

¡Creo que debes considerar el tipo de avión aquí! Si soy un nuevo piloto de F-22 de primera con una proporción odiosa de empuje a peso tratando de interceptar a algunos malos y necesito alcanzar altitud rápidamente, puedes apostar que levantaré la nariz e iré como un cohete.

Pero en realidad, se trata de vectores de velocidad. ¡Si quieres subir, entonces viaja hacia arriba! Los motores impulsan en la dirección de la nariz. (A menos que seas ese piloto de F-22 de antes). También considere que los aviones tienen límites de velocidad bajo ciertas altitudes, y también considere que ole 'Bernoulli no es la única razón por la que los aviones vuelan, el Sr. Newton también tiene algo que decir al respecto.

Porque la mayor parte de la sustentación proviene del ángulo de ataque (AoA) de las alas. Un AoA más alto significa más sustentación (hasta cierto punto).

Además, la mayoría de los aviones cabecearán a medida que aumenten la velocidad debido al diseño.

Como regla general y sin una larga explicación técnica de cómo y por qué, aquí hay una respuesta simple que mi hijo de 8 años podría entender. En vuelo recto y nivelado, si reduce la potencia sin alterar la actitud de la Aeronave, la Aeronave descenderá, por el contrario, si aumenta la potencia de la Aeronave, ascenderá. Ahora, la misma aeronave sin alterar su configuración de potencia, si modifica su actitud levantando el morro, disminuirá la velocidad, por lo tanto, con la misma configuración de potencia al bajar la nariz, la aeronave aumentará su velocidad. Entonces, su regla general es "poder es igual a altura" y "actitud es igual a velocidad". Ve y toma una lección de vuelo y pruébalo, y verás lo que quiero decir.

Normalmente en un avión cambias tu altitud usando la potencia. Si aumentas la potencia, tu altitud aumenta. Si reduce la potencia, la aeronave desciende. En ambos casos, la aeronave normalmente se encuentra en un ángulo de cabeceo casi nivelado.

La razón de este comportamiento es que el ala está permanentemente inclinada hacia arriba en una cierta cantidad, llamada "ángulo de cuerda" o "ángulo de incidencia". El ángulo se elige para que en condiciones normales, con potencia media, la aeronave se mantenga a la misma altitud. Si las alas fueran planas, el avión tendería a descender constantemente.

La principal excepción a lo anterior es cuando está despegando y desea ganar altitud rápidamente por razones de seguridad. En este caso, la palanca o yugo se tira hacia atrás y la aeronave se inclina hacia arriba y sube rápidamente. Lo que provoca esto es el elevador (o estabilizador horizontal) que se encuentra en la cola de la aeronave:

El elevador permite al piloto cambiar el cabeceo de las alas. Cuanta más superficie del ala esté expuesta al aire, mayor será la fuerza hacia arriba. Puede demostrar esto usted mismo sosteniendo su mano fuera de la ventana de un automóvil en movimiento rápido. Si mantiene su mano nivelada y luego inclina el borde delantero hacia arriba, su mano será empujada hacia arriba por el viento y viceversa. Si inclinas el borde delantero de tu mano hacia abajo, el viento empujará tu mano hacia abajo. Lo mismo sucede con un avión.

El piloto elige una ruta de vuelo diferente. Esta nueva ruta de vuelo va más alto en altitud y por eso está cambiando la energía potencial. masa*gravedad *9.81*altura delta. Necesitamos volar más lento con una menor resistencia y usar la energía extra para ascender o necesitamos aumentar la potencia de la hélice para superar el cambio en la energía potencial. Cuando la altitud está cambiando, también necesitamos aumentar la velocidad debido a la menor densidad del aire. La menor densidad del aire está afectando la sustentación y la confianza que la hélice puede brindar para un RPM dado

Podemos calcular la confianza observando los vectores de fuerza Ascensor y Peso. Cuando el avión cambia de rumbo, el vector de sustentación y el vector de peso que estaban en dirección opuesta están en una ruta de ascenso que funciona bajo un pequeño ángel, la tasa de ascenso. Para contrarrestar el peso, necesitamos aumentar el ascensor desde el ascensor r1 hasta el ascensor r2. Pero el resultado es también un vector arrastre r1. Este vector de arrastre se suma al arrastre en vuelo nivelado. Como conclusión, podemos decir que necesitamos aumentar la confianza para superar la resistencia adicional y necesitamos aumentar la sustentación para contrarrestar el peso.

una mayor sustentación conduce a una ganancia en altitud

Aquí es donde te has extraviado por primera vez. La sustentación es en realidad menor que el peso en un ascenso lineal sostenido. Lo fundamental que hace posible un ascenso sostenido en estado estable es que el vector de Empuje apunta hacia arriba en lugar de horizontalmente , lo cual solo es cierto cuando el Empuje es mayor que la Arrastre . Volveremos a este punto más adelante en esta respuesta.

Pero, ¿por qué los aviones ascienden "apuntando hacia arriba" ?

Independientemente de si elegimos 1) ascender con un ángulo de ataque alto (pero constante) y una velocidad aerodinámica más baja, o 2) acelerar a una velocidad aerodinámica más alta y ascender con un ataque bajo (pero constante), la aeronave estará algo con el morro alto en el ascenso porque la trayectoria de vuelo apunta hacia arriba, y la actitud de cabeceo del fuselaje es la suma del ángulo de ascenso de la trayectoria de vuelo más el ángulo de ataque del ala menos el ángulo de incidencia (es decir, el "ángulo de montaje" del ala en relación con el fuselaje).

Una tercera forma de ascender sería mantener la misma actitud de cabeceo que tenía la aeronave en vuelo nivelado (altitud constante), pero esto limitaría el ángulo de ataque para permanecer muy bajo, cuanto mayor sea la velocidad de ascenso y más empinado. el camino de ascenso, más bajo se vería obligado a ir el ángulo de ataque. ¡Este no es el tipo de circuito de retroalimentación que conduce a una alta tasa de ascenso!

Para comprender por qué, en la situación artificial en la que la actitud de cabeceo de la aeronave está limitada a ser fija, el ángulo de la trayectoria de ascenso afecta el ángulo de ataque del ala, debe comprender que el flujo de aire o "viento relativo" sentido por una aeronave en vuelo es exactamente opuesta en dirección a la ruta de viaje de la aeronave a través de la masa de aire, que en este caso es la ruta de ascenso. (Para simplificar, asumimos que no hay viento ni corriente ascendente/descendente; esas cosas pueden cambiar el ángulo de ascenso logrado en relación con el suelo sin cambiar el "viento relativo" que siente el avión, pero de eso no se trata realmente esta pregunta).Comprender que el viento relativo que "siente" un avión es siempre exactamente opuesto a la trayectoria de vuelo del avión a través de la masa de aire es una de las cosas más importantes para entender cómo vuela un avión.

Por lo tanto, incluso en un avión con un ángulo de incidencia inusualmente alto como el B-52, el avión estará con el morro alto en una subida empinada.

En teoría, un avión, incluso un avión con ángulo de incidencia cero, podría generar sustentación con el fuselaje exactamente horizontal. Si la trayectoria de vuelo ascendiera ligeramente, entonces el ala volaría con un ángulo de ataque ligeramente negativo, pero un perfil aerodinámico combado aún puede generar sustentación en tal situación. Pero la aeronave generaría una proporción mucho mayor de elevación a resistencia si el ala tuviera un ángulo de ataque más alto. Aunque la sustentación es menor que el peso en un ascenso, una relación alta entre sustentación y arrastre aún se correlaciona con un ángulo de ascenso empinado. Consulte esta respuesta de ASE relacionada para saber por qué: ¿Levanta el mismo peso en una escalada?

Las relaciones L/D más altas se generan en ángulos de ataque relativamente altos. Así que aquí es cuando veremos el ángulo de ascenso más pronunciado . La tasa de ascenso más alta se produce con un ángulo de ataque algo más bajo, pero el morro de la aeronave seguirá estando muy por encima del horizonte, debido al simple hecho de que la actitud de cabeceo del fuselaje es la suma del ángulo de ascenso del vuelo . trayectoria más el ángulo de ataque del ala menos el ángulo de incidencia del ala en relación con el fuselaje.

¿Es correcto que básicamente un avión solo necesita acelerar para ascender?

No, para un ascenso lineal de estado estacionario a una velocidad aerodinámica constante, la aeronave también tiene que crear más empuje que arrastre, y también tiene que apuntar el vector de empuje hacia arriba .

En este punto, debemos revisar el párrafo que comienza "Una tercera forma de ascender sería mantener la misma actitud de cabeceo que tenía la aeronave en vuelo nivelado (altitud constante)". En realidad, hay otro problema aquí además del hecho de que estaríamos obligando al ala a volar con un ángulo de ataque muy bajo, donde la relación L/D es pobre. El otro problema es que el vector de empuje se mantiene horizontal y, por lo tanto, es posible un ascenso sostenido en estado estable.

(Naturalmente, podemos escalar con zoom o incluso hacer un bucle en un planeador sin ningún empuje. En el ascenso en bucle o con zoom, el requisito de un polígono vectorial cercano de Ascensor, Peso, Arrastre y Empuje (si está presente) se desvanece, por lo que las restricciones son completamente diferente que en un ascenso sostenido en estado estable.)

Considere el caso de un avión como el B-52. El ala está montada en un ángulo de incidencia alto con respecto al fuselaje para acomodar el diseño del tren de aterrizaje de "bicicleta" al permitir un despegue sin rotación y para reducir la resistencia en vuelos de crucero de largo alcance. Incluso con el nivel del fuselaje en relación con el flujo de aire, el ala tiene un ángulo de ataque eficiente, con una alta relación L/D. Si la aeronave está creando más sustentación que su peso, ¿significa esto que está establecida en un ascenso en estado estable? No, significa que la trayectoria de vuelo se curvará o doblará hacia arriba, lo que hará que la aeronave se incline hacia arriba, lo que le da al vector de empuje una componente hacia arriba . En este punto, Lift en realidad disminuirá ligeramente a un valor que es más pequeñoque el peso a medida que la aeronave se asienta en un ascenso de estado estable con un empuje mayor que la resistencia, el morro apuntando por encima del horizonte y el vector de empuje apuntando hacia arriba y ayudando a soportar parte del peso de la aeronave.

Tenga en cuenta que a medida que cambiamos el ángulo de ataque del ala y cambiamos la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre, para ángulos de ascenso o descenso de poco profundos a moderados, la velocidad aerodinámica finalmente responde de tal manera que la sustentación en realidad permanece casi constante, mientras que El arrastre varía mucho. La razón por la que elegimos un ángulo de ataque óptimo para escalar no es realmente para maximizar la sustentación, sino para minimizar la resistencia y, por lo tanto, maximizar la relación entre empuje y resistencia. Pero independientemente de si hemos elegido un ángulo de ataque que produce una relación L/D alta o una relación L/D baja, si el vector de empuje apunta horizontalmente en lugar de hacia arriba, entonces no estamos subiendo , al menos no por más de un breve instante. (¡Más sobre esto más adelante!)

Nuevamente, para obtener más información sobre la relación entre Empuje, Arrastre, Elevación y Peso en una escalada, consulte la respuesta ASE relacionada ¿Levanta el mismo peso en una escalada?

Una nota final: una situación exótica que no es característica del vuelo libre normal (lo que significa que la aeronave no está conectada por un cable de remolque a otro vehículo que proporciona la fuerza de empuje) se discutió en esta pregunta y respuesta de ASE relacionada . La situación involucra un ala deslizándose hacia arriba y hacia abajo sobre un poste sujeto a un carro. En este caso, aunque el vector de empuje puede interpretarse como horizontal, el ala puede ascender lentamente por el poste mientras mantiene una actitud de cabeceo constante, pero su ángulo de ataque en relación con el flujo de aire disminuirá a medida que asciende. aumenta la velocidad, lo que provoca un efecto autolimitante en la velocidad de ascenso, como se explica en la presente respuesta.

Y ahora, una nota de cierre para la nota de cierre: anteriormente, dijimos "si el vector de empuje apunta horizontalmente en lugar de hacia arriba, entonces no estamos subiendo ". También hemos notado que un planeador puede girar sin Empuje en absoluto. Un avión motorizado también se puede "escalar con zoom" incluso si el empuje es menor que la resistencia, pero la velocidad del aire disminuirá. Tenga en cuenta que durante el "ascenso con zoom", la línea de empuje todavía suele apuntar hacia arriba.

¿Podemos llegar a un caso realmente artificial en el que "subamos con zoom" sin cabecear en absoluto? Sí podemos, pero la subida será muy breve. Por ejemplo, digamos que estamos saliendo de un bucle. Digamos que estamos "tirando" de 4G: el vector de sustentación es cuatro veces el peso de la aeronave. Justo antes de que alcancemos una actitud de cabeceo horizontal, la velocidad del aire generalmente disminuirá, lo que significa que la resistencia es mayor que el empuje. A medida que continuamos subiendo, habrá un instante en el tiempo en el que la actitud de cabeceo será exactamente horizontal, pero la sustentación seguirá siendo mucho mayor que el peso. En ese instante, si relajamos la contrapresión y movemos la palanca hacia adelante según sea necesario para congelar exactamente la actitud de cabeceo del avión ,, hasta que la curva ascendente de la trayectoria de vuelo disminuya el ángulo de ataque del ala hasta el punto donde el vector de sustentación es igual al vector de peso, o más precisamente, el punto donde el vector de sustentación es igual a la componente del peso vector que actúa perpendicularmente a la trayectoria de vuelo. En ese instante la aceleración centrípeta es cero. La aceleración lineal no puede ser cero: a medida que continuamos manteniendo constante la actitud de cabeceo del fuselaje, la velocidad del aire disminuirá y luego la trayectoria de vuelo se curvará hacia abajo nuevamente hasta que sea exactamente horizontal. Cuando el vector de empuje es exactamente horizontal, el vuelo en estado estable solo es posible en dirección horizontal, no en dirección hacia arriba o hacia abajo.Desde el punto de vista del piloto, lo que sucedió es que alcanzamos una actitud de cabeceo nivelado y luego "descargamos" rápidamente el ala a una condición cercana a 1-G y pasamos a un vuelo aproximadamente horizontal. El hecho de que la aeronave ascendiera muy brevemente con el fuselaje exactamente nivelado probablemente sería imposible de detectar sin instrumentación especial. Pero sí, técnicamente, es posible lograr un intervalo muy breve de vuelo ascendente con el vector de empuje permaneciendo exactamente horizontal y, de hecho, sucede algo parecido a esto casi cada vez que hacemos la transición de una actitud de picado a una de cabeceo horizontal, a menos que de alguna manera lograr controlar el acelerador de tal manera que la velocidad aerodinámica permanezca exactamente constante durante la parte final de la retirada.

Debería quedarle claro al lector que este breve intervalo de vuelo en ascenso con una actitud de cabeceo horizontal fija no es la dinámica que vemos durante cualquier ascenso en estado estable.

Según Wikipedia y lo que recuerdo de mis primeros días de entrenamiento como piloto privado:

Relación entre el ángulo de ataque y la sustentación[editar] Curva de coeficiente de sustentación típica. El coeficiente de sustentación de un avión de ala fija varía con el ángulo de ataque. El aumento del ángulo de ataque está asociado con el aumento del coeficiente de sustentación hasta el coeficiente de sustentación máximo, después de lo cual el coeficiente de sustentación disminuye.

A medida que aumenta el ángulo de ataque, también lo hace la sustentación. Exceder el ángulo crítico de ataque ilustra aún más este punto.