¿Cuándo contribuyen los vectores de sustentación y arrastre con un componente de fuerza a lo largo de la trayectoria de viaje de un planeador visto desde el suelo?

En térmicas.

Más precisamente: cada vez que aumenta la fuerza de la corriente ascendente. El planeador continuará en su ruta original debido a la inercia, mientras que el flujo de aire tendrá un ángulo positivo cuando se haga referencia a la ruta de viaje. Ahora la fuerza aerodinámica apuntará ligeramente hacia adelante y acelerará el planeador.

Los pilotos experimentados usan esto extrayendo más de 1 g cuando vuelan hacia una térmica y menos cuando la fuerza de la corriente ascendente disminuye. Esto les ayuda a obtener algo más de energía del aire ascendente.

El arrastre es, por definición, la parte de las fuerzas aerodinámicas paralelas a la dirección del flujo, por lo que para el arrastre la respuesta es: siempre. Con cambios en la velocidad aerodinámica vertical, el componente de arrastre paralelo a la dirección del movimiento simplemente cambiará con el coseno del ángulo entre los sistemas de coordenadas aerodinámicas y cinéticas.

Si insiste en excluir los cambios en la velocidad vertical del aire, su pregunta no tendrá respuesta con respecto a la sustentación.

Cualquier planeador es propulsado en parte por su vector de sustentación en todo momento cuando está en vuelo normal (a diferencia de un bucle, balanceo u otras acrobacias aéreas, donde se usa una reserva de energía cinética y, a menudo, se convierte parcialmente en potencial). El vector de sustentación siempre está ligeramente inclinado hacia adelante cuando se planea en vuelo.

La energía para esto proviene de la conversión de energía potencial (en forma de altitud) en energía cinética (en forma de velocidad de avance). La energía potencial, a su vez, para un planeador, es generalmente suministrada por el aire ascendente (inicialmente para cada vuelo, parte la proporciona la asistencia de lanzamiento, ya sea remolque aéreo, remolque en tierra, cabrestante/bungee, o rodando/corriendo por un pendiente hacia el levantamiento de la cumbrera).

La resistencia, por otro lado, por definición siempre es opuesta en dirección al vector de velocidad, por lo que nunca tendrá un componente que se sume a la velocidad actual (aunque si el planeador está, por ejemplo, en una pérdida profunda con la cola hacia abajo, puede haber ser un componente de arrastre "hacia delante" en la dirección en que apunta el morro del planeador).

Para los aviones propulsados, habrá momentos en los que haya un componente de sustentación que actúe para aumentar la velocidad de avance (por ejemplo, al descender más o menos abruptamente con el acelerador bajo) y momentos (la mayoría de los vuelos en estado estable) en los que la sustentación contribuya a la resistencia. que aún, por definición, actúa contra el vector de velocidad actual.

"Visto desde el suelo" será la trayectoria neta de los componentes de velocidad vertical y horizontal de los planeadores sumados o restados de los componentes de velocidad vertical y horizontal del aire (descontando el tercer eje por ahora).

Consideramos la masa de aire teórica que se mueve uniformemente y el viento relativo que crea el planeador en vuelo. Como se discutió muchas veces en este sitio, un círculo perfecto en el aire se verá muy diferente a una trayectoria en el suelo si hay viento. Un planeador con una velocidad aerodinámica de 40 nudos puede estar inmóvil "visto desde el suelo".

Lógicamente, la respuesta es siempre, con la advertencia de que se debe considerar la velocidad y la dirección del movimiento de la masa de aire, y sí, a lo largo de los 3 ejes.

Finalmente, una de las claves es considerar que el peso se resta de cualquier componente del vector de sustentación o arrastre vertical , el resto se equilibra en la velocidad y dirección del planeador con respecto a la masa de aire .

Suponiendo un vuelo lineal en estado estacionario y las otras restricciones establecidas en la pregunta:

La idea de que un componente del vector de sustentación está ayudando a empujar el planeador hacia adelante a lo largo de la trayectoria del planeador visto desde el suelo solo es cierta cuando la relación de planeo lograda del planeador en relación con el suelo es mejor que la relación L/D (que también es la relación de planeo con aire en calma), o cuando el planeador está ascendiendo en una corriente ascendente (a menos que el planeador se desplace hacia atrás sobre el suelo a lo largo de una trayectoria de ascenso lograda que es más plana que la dirección del vector de arrastre/viento relativo). Estas son las únicas veces que el vector de sustentación tiene un componente hacia adelante en relación con la trayectoria del planeador visto desde el suelo.

Esto solo sucedería en uno de los siguientes casos: el planeador debe estar volando:

1) Aire que no sube ni baja, pero se mueve con un componente de viento de cola en relación con el rumbo real del planeador (no en relación con el "rumbo" o la trayectoria terrestre lograda; la distinción entra en juego cuando hay un fuerte componente de viento cruzado).

2) Aire que no tiene movimiento horizontal, sino que asciende.

3) Aire que asciende lo suficientemente rápido como para compensar la degradación de la tasa de planeo lograda causada por un componente de viento de frente.

4) Aire que se mueve con un componente de viento de cola que es lo suficientemente fuerte como para compensar la degradación en la relación de planeo lograda causada por un componente de hundimiento (corriente descendente).

5) Aire que sube y también se mueve con un componente de viento de cola

En una primera aproximación, la idea de que un componente del vector de arrastre está ayudando a tirar del planeador a lo largo de la trayectoria del planeador visto desde el suelo solo es cierta cuando el planeador se mueve hacia atrás sobre el suelo, es decir, cuando un componente de su " El rumbo" o el vector de trayectoria en tierra alcanzado apunta en la misma dirección en la que apunta la cola del planeador, y en la dirección opuesta a la que apunta la nariz. Esto puede suceder fácilmente con viento fuerte: el planeador puede deslizarse fácilmente hacia atrás sobre el suelo.

Estrictamente hablando, esta aproximación solo es cierta si la relación L/D es infinita. Para ser más precisos, debemos reconocer que el verdadero criterio es que el vector de arrastre ayudará a tirar del planeador a lo largo de la trayectoria del planeador visto desde el suelo siempre que un componente de la ruta de vuelo tridimensional real visto desde el suelo-- no solo el vector de "curso" o la trayectoria terrestre lograda, apunta en la misma dirección que apunta el vector de arrastre. Dado que el vector de arrastre es paralelo a la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire o "viento relativo", está inclinado con respecto al horizonte. Por lo tanto, para índices de planeo no infinitos, este criterio se puede lograr cuando la aeronave se eleva verticalmente en línea recta con respecto al suelo con una velocidad respecto al suelo horizontal cero en una fuerte corriente ascendente, o incluso cuando la aeronave avanza muy lentamente sobre el suelo a medida que se eleva rápidamente hacia arriba. Además, puede haber casos en los que no se cumplan los criterios incluso si la aeronave se desplaza hacia atrás muy lentamente sobre el suelo, si también se hunde muy rápidamente debido a una fuerte corriente descendente. Pero para índices de planeo razonablemente altos, es una aproximación bastante buena decir que el vector de arrastre está ayudando a tirar de la aeronave a lo largo de su trayectoria vista desde el suelo solo cuando la aeronave realmente se desplaza hacia atrás sobre el suelo.

Lo que realmente está pasando aquí es que tenemos un triángulo vectorial cerrado de Ascensor, Arrastre y Peso, con Ascensor más pequeño que Peso e inclinado ligeramente hacia adelante en relación con el peso. Drag es perpendicular a Lift y actúa en ángulo recto con Lift, como se ilustra en esta respuesta relacionada . No hay duda de que la fuerza neta es cero y la aceleración neta es cero, desde cualquier marco de referencia inercial, incluido el marco de referencia de la masa de aire y el marco de referencia terrestre. Pero el vector de velocidad es diferente en diferentes marcos de referencia, por ejemplo, considere el caso en el que el planeador se eleva lentamente hacia arriba como se ve desde el marco de referencia del suelo, por lo que la cuestión de qué fuerzas contribuyen con un componente a lo largo de la dirección de viaje del planeador depende del marco de referencia que elijamos.

Tenga en cuenta que a menudo se dice que los planeadores funcionan con la fuerza de la gravedad. Esto siempre es cierto como se ve desde el marco de referencia de la masa de aire: de las tres fuerzas Ascensor, Arrastre y Peso, el Peso es la única con algún componente paralelo a la trayectoria de viaje del planeador a través de la masa de aire.Pero como se ve desde el suelo, es decir, en relación con la trayectoria de viaje en relación con el suelo, la gravedad ejerce una componente de fuerza paralela a la trayectoria solo en los casos en que el planeador pierde altitud. Si el planeador está subiendo, entonces el vector Peso está ejerciendo un componente de fuerza en contra de la dirección de la trayectoria del planeador vista desde el suelo, no en la misma dirección que la trayectoria del planeador vista desde el suelo. Si el planeador vuela horizontalmente, entonces, desde el punto de vista del marco de referencia terrestre, el vector Peso no ejerce ningún componente de fuerza a lo largo de la dirección de la trayectoria del planeador y no realiza ningún trabajo sobre el planeador.

Esto significa que siempre que el vector de velocidad de un planeador, visto desde el suelo, sea constante y puramente horizontal, las fuerzas ejercidas a lo largo de la dirección de desplazamiento por los vectores de sustentación y arrastre deben ser exactamente iguales y opuestas. Cada vez que un planeador se desplaza horizontalmente y el vector de velocidad del planeador, visto desde el suelo, tiene una componente hacia el morro del planeador en lugar de hacia la cola del planeador, el vector de sustentación ayuda a empujar el planeador a lo largo de su trayectoria de viaje, y el vector de arrastre resiste ese tirón de una manera que lo cancela exactamente. Por el contrario, si el planeador viaja horizontalmente y hacia atrás como se ve desde el suelo, entonces el vector de arrastre está ayudando a tirar del planeador a lo largo de su ruta de viaje, y el vector de elevación resiste ese tirón de una manera que lo cancela exactamente.

Los vectores de sustentación y arrastre están fijos en su relación geométrica con el viento relativo: la sustentación es perpendicular al viento relativo y la resistencia es paralela al viento relativo. Además, para cualquier relación L/D y valor de Peso dados, los vectores de Elevación y Arrastre tienen una magnitud fija. El hecho de que, desde el marco de referencia del suelo, el componente de fuerza ejercido en la dirección de desplazamiento del planeador por los vectores de sustentación y arrastre varíe de acuerdo con la dirección del viento y la velocidad de la corriente ascendente o descendente, es en realidad solo un artefacto del hecho de que la dirección de la corriente el viento relativo no está fijo en relación con la dirección y la magnitud del vector de velocidad del planeador visto desde el suelo.

El trabajo realizado por una fuerza se define como la distancia recorrida multiplicada por el componente de fuerza ejercido en la dirección de desplazamiento, y se necesita energía para realizar trabajo sobre un planeador o cualquier otro cuerpo. Realmente no tiene sentido preguntar qué fuente de energía es responsable de cualquier componente de fuerza aerodinámica en particular, como el componente del vector Ascensor o Arrastre que actúa paralelo a la trayectoria de vuelo visto desde el suelo. En última instancia, como se ve desde el suelo, cualquier energía NETA transferida desde la atmósfera al planeador, a través de la acción combinada de los vectores de Elevación y Arrastre, solo puede provenir de corrientes ascendentes. Solo en presencia de una corriente ascendente puede un planeador ganar altitud mientras vuela a una velocidad constante, independientemente de la velocidad y dirección del viento horizontal. Por supuesto, a medida que el planeador extrae energía cinética de la corriente ascendente y la convierte en su propia energía potencial gravitacional, la corriente ascendente debe reducirse en un grado infinitesimal. El único caso en el que el planeador no aumenta ni disminuye la energía cinética de los alrededoresla masa de aire local es cuando el planeador viaja puramente horizontal, en lugar de hundirse o ascender.

Y la última fuente de energía que alimenta las corrientes ascendentes, ya sean corrientes térmicas ascendentes o corrientes ascendentes de "elevación de crestas" u olas de montaña, es el sol. Este poder puede conferirse a través del calentamiento solar directo del suelo directamente debajo, o mediante procesos meteorológicos complejos que involucran todo el sistema climático global.

La pregunta también se refería a las aeronaves motorizadas.

Suponga por simplicidad que Thrust actúa exactamente en dirección opuesta a Drag.

En el caso de que el Empuje sea menor que la Arrastre, el avión es exactamente como un planeador, excepto que sustituimos "(Arrastre menos Empuje)" dondequiera que aparezca "Empuje" en la explicación.

En el caso de que el empuje y el arrastre sean iguales, la explicación con respecto al vector de arrastre es exactamente la misma que la explicación de "primera aproximación" (suponiendo una relación L/D infinita) anterior. Y en este caso, el vector de sustentación está agregando ayuda para empujar la aeronave hacia adelante a lo largo de su trayectoria en relación con el suelo cada vez que la aeronave está en aire ascendente, sin excepción, y sin tener en cuenta el viento de frente o de cola.

En el caso de que el empuje sea mayor que la resistencia, entonces la idea de que un componente del vector de sustentación está ayudando a empujar la aeronave hacia adelante a lo largo de la trayectoria de la aeronave, vista desde el suelo, solo es cierta cuando la relación de ascenso lograda de la aeronave en relación con el suelo es mejor (es decir, un número menor que) que la relación L/(TD). Esto requerirá una corriente ascendente, o un viento en contra , o ambos, y una corriente ascendente débil puede no ser suficiente para compensar un viento en contra fuerte, y un viento en contra débil puede no ser suficiente para compensar una corriente descendente fuerte.

En el caso de que el empuje sea mayor que la resistencia, entonces la idea de que el vector de resistencia ayudará a tirar de la aeronave a lo largo de la trayectoria de la aeronave, vista desde el suelo, solo puede ser cierta cuando la trayectoria de la aeronave, vista desde el suelo, tenga un componente que apunte hacia adentro. la misma dirección que el vector de arrastre. Para relaciones de L/(TD) que no son demasiado altas (es decir, el ángulo de ascenso con aire en calma no es extremadamente bueno), en una primera aproximación esto significa que la aeronave se está desplazando hacia atrás sobre el suelo, pero esta aproximación no se aplicará bien. a ángulos de ascenso extremadamente altos con aire en calma. Una aeronave que pudiera ascender en línea recta a una alta velocidad de ascenso en aire en calma, en esa misma configuración, solo podría moverse (visto desde el suelo) en la dirección del vector Drag en presencia de una corriente descendente increíblemente fuerte.