Principio de sustentación aerodinámica: ¿también se enseñan conceptos erróneos en las escuelas de vuelo?

Describir la sustentación como el resultado de un "tiempo de tránsito igual" en ambos lados de una superficie aerodinámica es una teoría falaz que se encuentra ampliamente en libros técnicos y artículos para el público en general (ver más abajo para obtener detalles sobre esta explicación).

Pero tal explicación también se encuentra en los libros de aviación, a pesar de que la NASA la identifica como una teoría incorrecta (la NASA explica que si la sustentación se calcula a partir de las leyes de los fluidos, con base en la velocidad del aire en ambos lados del perfil aerodinámico, el resultado no estará en línea con lo que se observa en la vida real).

Pregunta

¿Esta teoría tan popular también se enseña de esta manera en las escuelas de vuelo? (Tenga en cuenta que la pregunta es sobre la enseñanza de pilotos, no sobre qué es la sustentación ).

Anexo: Explicación popular de ascensor de igual tiempo de tránsito :

Los partidarios de esta teoría explican los resultados de sustentación aerodinámica del diferencial de presión entre los lados inferior y superior de un ala creado por el principio de Bernoulli. Ellos dicen:

  • El aire tiene que moverse una distancia más larga en la parte superior debido a la curva del perfil (no es correcto para todos los perfiles de ala).

  • Ambos lados deben viajar en la misma cantidad de tiempo para que las moléculas de aire que estaban cerca por delante del ala se encuentren nuevamente detrás de ella (puede ser correcto o incorrecto).

    ingrese la descripción de la imagen aquí

  • Por el principio de Bernoulli, el flujo de aire acelerado tiene una presión más baja. La presión es entonces más baja en la parte superior del ala y más alta en la parte inferior. Por tanto, el ala recibe una fuerza que tiene una componente vertical hacia arriba. Este componente equilibra el peso de la aeronave y permite mantenerse en el aire.

esto está bien discutido en la física.SE: physics.stackexchange.com/questions/290/…
Muy bien. Estoy agregando esta referencia a la sección de preguntas. Tenga en cuenta que la pregunta es sobre lo que se enseña en la escuela de vuelo.
El See How It Flies explica la física relevante para los aviones voladores, incluida la sustentación , y está dirigido específicamente a los aviadores.
El "Bernoulli vs Newton" es la tontería más grande. La respuesta real es "Bernoulli y Newton" y en realidad es la primera ley de Newton (se necesita la inercia de la corriente para detenerse en la imagen).
@JanHudec: "Bernoulli vs Newton" recupera más resultados de Google, este era el punto. Las 3 leyes del movimiento parecen aplicarse en la generación de sustentación. La corriente descendente del aire se equilibra con la elevación, de acuerdo con la tercera ley ( consulte esta diapositiva para mayor claridad).
@mins: podría recuperar más resultados, la pregunta es si son más resultados correctos. Por supuesto, la corriente descendente está equilibrada por la sustentación y viceversa por la tercera ley, pero no explica por qué el ala produce una corriente descendente en primer lugar. Para eso, debe considerar la inercia del aire que fluye a lo largo de la superficie oblicua y sale del borde de salida (la primera ley) y la ecuación de Bernoulli para calcular el campo de presión. Y para entonces, las matemáticas se vuelven bastante complicadas y solo tienen una solución numérica.
La ley de Newton explica por qué empujar el aire hacia abajo empuja el avión hacia arriba. No explica por qué el aire es empujado hacia abajo en primer lugar.
Por el contrario, la ley de Bernoulli explica por qué el aire baja, pero no por qué sube el avión.
@immibis: La explicación de Bernoulli, al menos como se presenta generalmente (los cambios en la velocidad del flujo de aire crean cambios en la presión) no explica por qué cambia la velocidad del flujo de aire. 'Tiempo de tránsito igual' es un intento incorrecto de explicar eso. La ley de Bernoulli ni siquiera explica la relación entre presión y velocidad; lo afirma como un hecho. Cualquier explicación causal de ese hecho parte de la mecánica newtoniana.
@JanHudec: No tengo ningún problema con que la ley de Bernoulli se incluya en una explicación, pero el hecho es que Newton explica a Bernoulli, y no al revés. Como insinué en mi respuesta a immibis, si comienza desde Bernoulli, llega al punto en el que necesita explicar por qué cambia la velocidad del flujo de aire, y ese ha sido el punto de introducción de muchas falsedades, incluida la falacia del "tiempo de tránsito igual". .
@sdenham: Estoy de acuerdo.
Tenga en cuenta que, como se indicó, la elevación de la corriente descendente es perfectamente válida y verdadera: las leyes del movimiento se mantienen allí. La falacia común es imaginar las partículas de aire que se reflejan en la parte inferior del ala como pelotas que rebotan en una pared. Lo cual, en una aproximación aproximada, funciona para explicar la sustentación posterior a la pérdida, pero no explica por qué el aire sobre el ala también se desvía. Desafortunadamente, explicar eso es bastante difícil (tienes que incorporar inercia, viscosidad y muchas otras cosas).
"son conceptos erróneos que también se enseñan en la escuela de vuelo": Por supuesto que lo son. No sería una escuela de vuelo si no enseñara conceptos erróneos.
@quietflyer: Probablemente no entendiste el significado de esta pregunta. No estaba preguntando si los conceptos erróneos se mencionan e identifican como tales, sino si se usan e identifican como teorías correctas.

Respuestas (4)

Soy un CFI que enseña en una gran escuela de vuelo (+200 estudiantes) en los Estados Unidos. Te sorprenderá escuchar esto, pero...

Realmente no nos preocupamos tanto por cómo funciona un ala.

En lo que a mí respecta, la explicación técnica de cómo funciona un ala es un tema para los ingenieros que construyen y diseñan tales cosas. Los solicitantes de piloto privado (al menos todos los que he conocido) están más preocupados por cosas como "¿Cómo hago para que el avión despegue?" y "¿Qué hago si comienza a bajar rápidamente?"

De hecho, Modern Airmanship de Van Sickle comienza el capítulo sobre aerodinámica diciendo (parafraseado):

Algunos de los conceptos presentados en este capítulo son incorrectos, pero son ilustraciones útiles.

Entonces, para responder a tu pregunta, te enseñamos que:

  1. La alineación del ala con el viento relativo desplaza el aire hacia abajo, lo que crea sustentación.
  2. Debido a la forma del perfil aerodinámico, el aire en la parte superior del ala tiene una presión más baja que el aire debajo del ala, lo que también provoca sustentación.

Y a menos que un estudiante nos pida más información, lo dejamos así.

Si espera convertirse en diseñador de aeronaves o investigar dinámica de fluidos, pronto se le corregirá cualquier concepto erróneo que pueda tener sobre el Sr. Bernoulli y su ala asimétrica. La mayoría de los estudiantes piloto, sin embargo, están satisfechos con una discusión previa: " Lo que hablaremos hoy no es técnicamente correcto, pero le resultará mucho más fácil comprender los conceptos necesarios de esta manera " .

Peter Kämpf hizo un comentario que vale la pena:

En realidad, no es tan difícil entender la aerodinámica correctamente, y lo hace parecer como si prefiriera una ganancia a corto plazo sobre una base profunda que podría ayudar a los pilotos a comprender realmente lo que sucede con su avión y seleccionar la acción más apropiada.

Lo cual es muy cierto: no es difícil entender la aerodinámica correctamente. Defenderé mi punto de vista con una analogía: Considere una tienda donde está comprando con un niño que aún no entiende la suma decimal. Tiene dos compras, una de coste $5.08y otra de coste $3.99. El niño suma los números grandes y te dice que el precio final será $8. Ahora tiene (al menos) dos opciones: podría comenzar una discusión sobre las cifras significativas y la multiplicación fraccionaria (¡no se olvide de los impuestos!), o podría elogiar al niño por aplicar las habilidades que tiene y obtener una respuesta que es bonita. Cerrar.

¿Es mejor si el niño finalmente entiende cómo calcular los impuestos en lugar de simplemente confiar en lo que el cajero lee en la pantalla? Por supuesto. Pero en la etapa en la que se encuentran la mayoría de mis alumnos , es mucho más valioso para su desarrollo como pilotos simplemente elogiarlos por estar lo suficientemente cerca.

En cuanto a JAL123, estoy 100% de acuerdo contigo. Para cuando usted, como piloto, haya progresado lo suficiente en su desarrollo para volar algo con una turbina empujándolo, sin duda debería conocer los principios y conceptos de su máquina con el mayor grado de precisión.

En realidad, no es tan difícil entender la aerodinámica correctamente, y lo hace parecer como si prefiriera una ganancia a corto plazo sobre una base profunda que podría ayudar a los pilotos a comprender realmente lo que sucede con su avión y seleccionar la acción más apropiada.
@PeterKämpf: Depende del nivel de comprensión que necesite. Para el piloto es suficiente saber que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad y el ángulo de ataque indicados hasta un punto en el que disminuye abruptamente debido a que se produce la pérdida. Las explicaciones comunes no ayudan en eso, porque no explican el estancamiento; Diría que solo mostrar imágenes de las líneas aerodinámicas debería ser suficiente.
JanHudec: Considere JAL123: si el piloto hubiera tenido un conocimiento básico de la mecánica de vuelo (y la influencia de la altitud en sus funciones cerebrales), este accidente probablemente podría haberse evitado. El avión todavía era algo controlable, volando durante una hora después de la pérdida de la mayor parte de su cola vertical. Por cierto: Stall no es lo único que un piloto necesita entender. Pero si él/ella ni siquiera tiene un conocimiento básico de la aerodinámica, él/ella es solo un conductor de autobús glorificado.
@PeterKämpf a pesar de que nadie en la simulación pudo hacerlo mejor que la tripulación [ 1 ]?
@ratchet freak: un B-52H podría derribarse de forma segura en 1964 después de perder su cola vertical. Pero los pilotos utilizaron una estrategia diferente, sabiendo que volar bajo mejora la estabilidad direccional. La tripulación japonesa estaba totalmente abrumada y creo que las otras tripulaciones en el simulador tenían el mismo nivel de educación. La educación japonesa prefiere el aprendizaje de memoria, pero si no hay un procedimiento, no tienen forma de desarrollar una estrategia nueva y exitosa.
@PeterKämpf que B52 todavía tiene control de alerones + elevador; mientras que JAL123 no lo hizo (solo empuje diferencial del motor)
@ratchetfreak: ... y molduras de ascensor. ¿De qué otra forma podrían compensar la masa faltante de la vertical? Admitido, el avión se podía volar marginalmente, pero a la altitud elegida menos que a una altitud más baja. Ese es mi punto principal: los pilotos no sabían cómo ayudarse a sí mismos.
@PeterKämpf: amplié mi respuesta para tener en cuenta sus excelentes comentarios. ¡Muchas gracias!
@SteveV. ¿Estás seguro de que los enlaces 2 y 3 son correctos? ¿Cómo hago para que el avión despegue? está vinculado a Dinero ; y ¿Qué hago si vuelve a bajar rápidamente? es para Controlar.Descargar Evento .
@Farhan: esos son los objetivos de enlace previstos. "¿Qué hace que un avión vuele? El dinero". es una broma bien conocida entre los aviadores en los EE. UU., y "Descargar para controlar" es un método de recuperación trastornado.
@SteveV. Entendido. Escuché sobre la relación del dinero con el vuelo de un avión, pero no estaba muy seguro de si muchos pilotos son programadores de .NET en su tiempo libre.
El enlace B-52H de @Peter Kämpf salió mal, encontré un buen enlace aquí: B52-H aterrizó sin cola
@ratchetfreak En caso de que esté interesado, noto que el 2 de junio de 2017, por alguna razón, alguien consideró oportuno eliminar la historia sobre las simulaciones de la página de Wikipedia que vinculó: en.wikipedia.org/w/…
Algo anda mal con sus enlaces, por ejemplo, su segundo enlace "¿Cómo hago para que el avión despegue?" apunta a Dinero en Wikipedia, y su tercer enlace, ¿Qué hago si comienza a fallar nuevamente rápidamente? apunta a la función de Microsoft .NET Framework :-(

Solo puedo hablar en nombre del programa de estudios australiano publicado por CASA (Autoridad de seguridad de la aviación civil - Australia), pero se espera que enseñemos tanto el teorema de Bernoulli como el teorema de la desviación del aire (creo que esta es la segunda teoría que está hablando de las Leyes de Newton).

PERO, también se espera que enseñemos estos elementos como teorías, no como leyes, ya que no existe una ley sobre la creación de ascensores. Entonces, hasta cierto punto, se podría decir que enseñamos conceptos erróneos, pero al mismo tiempo reconocemos abiertamente esos conceptos erróneos a aquellos a quienes enseñamos.

La otra parte que admitimos abiertamente es que ambas teorías tienen mérito para al menos ayudar a comprender ciertas características importantes de la aerodinámica en vuelo, un gran ejemplo es una pérdida. Tenemos el centro de presión que se mueve más adelante a lo largo de la cuerda del ala a medida que aumenta el ángulo de ataque, debido a que el "pico" de la presión dinámica del aire está más adelante a lo largo de la cuerda del ala. En el "ángulo crítico" está en su posición más adelantada. Tan pronto como superamos el ángulo crítico, el ala entra en pérdida e instantáneamente, el centro de presión se mueve hacia atrás a lo largo de la línea de la cuerda hasta una posición aproximadamente a la mitad de la cuerda debido a que el teorema de Bernoulli ya no tiene el efecto principal en nuestra ala. Ahora el teorema de la desviación del aire toma el control, y observamos el uso de la analogía de "sacar la mano por la ventana de un automóvil en movimiento".

¿Podrías aclarar a qué te refieres cuando dices Bernoulli's Theoremy teach these items as theories, not laws? El Principio de Bernoulli (un aumento en la velocidad del fluido significa una disminución en la presión del fluido) simplemente describe una realidad física; no es realmente una teoría.
@SteveV. - El teorema es cómo se aplica esto a un Aerofoil de avión, ya que no hay un venturi físico. El principio es sólido, y no hay dudas en ningún momento, pero cómo se aplica esto a un ala y la producción general de sustentación sigue siendo solo un teorema. En cuanto a su respuesta a continuación, este puede ser el caso con el plan de estudios de la FAA, pero en otros países, como Australia, es un requisito que todos los solicitantes de PPL tengan un conocimiento básico de cómo se genera Lift, y para los solicitantes de CPL, debe haber una buena comprensión de cómo se genera la elevación (al menos los teoremas asociados).
Parece que no entiendes qué es un teorema (es un resultado probado de las matemáticas) y qué es una teoría científica (es una explicación verificada experimentalmente de cómo funciona el mundo). Una "ley" científica es simplemente una teoría científica que es tan antigua y famosa que tiene un nombre más elegante. Decir "enseñamos esto como teorías, no como leyes" es un gran malentendido de lo que es la ciencia.
Y una "ley" ni siquiera significa que sea más completa o precisa que una "teoría". Considere la ley de la gravedad, que ha sido reemplazada por la teoría de la relatividad.
Por "Teorema de Bernoulli", ¿te refieres al tiempo de tránsito igual o algo más (porque el teorema de Bernoulli obviamente se mantiene alrededor del ala; simplemente deja demasiadas variables libres y las corrige asumiendo que el tiempo de tránsito es el error)? Y por "Teorema de la desviación del aire", ¿te refieres a las balas reflectantes o algo más (porque el aire se desvía hacia abajo; es solo la idea de que se debe a que las partículas golpean la parte inferior y se reflejan como pelotas que rebotan en una pared que está mal) ? Si te refieres a estos, ¿cómo explicas el estancamiento? Si no lo hace, por favor aclare lo que quiere decir.

Me gustaría agregar mi $.02 a esta pregunta. La sustentación se define (en los textos de aerodinámica) como la componente ascendente de la fuerza que el aire ejerce sobre el ala. La fuerza se compone de las fuerzas tangenciales (puras) que tienden a contribuir principalmente al arrastre, así como las fuerzas de presión (normales) que tienden a contribuir a la sustentación. En cuanto a diseñar el ala más eficiente, la respuesta es prueba y error. Cientos de diferentes superficies aerodinámicas definidas matemáticamente se colocan en un túnel de viento y se miden sus coeficientes de sustentación y arrastre. Luego se publican en un libro como este para que los futuros ingenieros aeroespaciales decidan qué perfil aerodinámico se adapta mejor a su propósito. La pregunta de por quéque la presión sea más baja en la parte superior en comparación con la parte inferior del ala no es realmente tan importante. Montones de datos empíricos muestran que son los fenómenos observados, y trabajamos con ellos a partir de ahí, por insatisfactorio que sea.

¡Siento disentir! Se necesita trabajo empírico en campos como la medicina, donde entendemos muy poco para sacar conclusiones lógicas, pero la aerodinámica se entiende muy bien, por lo que el razonamiento deductivo te lleva al mejor resultado más rápidamente. Además, no responde la pregunta original, que es si todavía se enseñan conceptos incorrectos en la escuela de vuelo. Tal vez quieras agregar a tu respuesta para mejorarla.
Estoy de acuerdo en que la aerodinámica se entiende bien, pero el hecho de que se entienda bien no significa que no se beneficie inmensamente de los datos empíricos. En cuanto a la pregunta original, la forma en que la aprendí es que el aire fluye más rápido por la parte superior, lo que genera menos presión y genera un "tirón" hacia arriba en el ala. La curvatura del ala permite que esto suceda. En cuanto a Bernoulli/Newton, etc., no parecen describir esta relación entre la forma del ala y la sustentación, por lo que no me satisface. OTOH el coeficiente de elevación, que parece relacionar el 2, se encuentra principalmente a través de pruebas empíricas.
Estoy de acuerdo en que haber visto una gran cantidad de datos empíricos le dará una "sensación" intuitiva de lo que es correcto. Pero no comprender la física subyacente detrás de esto te priva de la capacidad de extender este conocimiento a nuevas situaciones. Entonces estás en una posición similar a la de un piloto entrenado en Japón: eres excelente para realizar procedimientos bien entrenados, pero si sucede algo que no entrenaste con anticipación, estás indefenso.
La pregunta real es "¿Se enseña de esta manera en las escuelas de vuelo?". Esta respuesta no parece abordar la pregunta.

Me enseñaron en la escuela de vuelo de la Patrulla Aérea Civil en 1958 que el efecto Bernoulli era la única forma en que un ala genera sustentación. No recuerdo cuál era nuestro libro de texto, excepto que también lo usaba la USAF. Nuestros instructores obviamente sintieron que este hecho no era vital y no apareció en ningún examen. Como dice Steve V., realmente no nos preocupamos por cómo funciona un ala.

Un constructor de aviones a escala en nuestra ciudad voló una nave que no era más que un disco plano de metal más un motor, timón y elevadores. Tenía un recorrido de despegue muy largo y era una bestia para volar, pero claramente estaba volando el ala y no solo colgando de su puntal. Era, de hecho, un letrero de Texaco Gas de acero esmaltado de 25". No era posible ningún efecto Bernoulli.

Además, habíamos visto muchos dibujos técnicos de los primeros aviones Wright, Santos-Dumont y Curtis, todos con alas planas o curvas de espesor constante en prácticamente toda la cuerda. Claramente estos aviones no generaron un diferencial de Bernoulli. Teníamos mucha evidencia de que Bernoulli no era necesario para un vuelo más pesado que el aire.

Así que diría que este concepto erróneo se enseñó en algunas escuelas de vuelo en 1958, pero realmente hizo poco daño. Los estudiantes que solo querían volar lo ignoraron y continuaron con solo volar. Los estudiantes interesados ​​en la ciencia aeronáutica ya sabían que no debían aceptar una explicación tan simple en lo que respecta a la dinámica de fluidos.

Principio de sustentación aerodinámica: ¿también se enseñan conceptos erróneos en las escuelas de vuelo?
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