¿Qué tan completa es nuestra comprensión del ascensor?

Respuesta corta: Sí, nuestra comprensión de la sustentación es completa, pero resolver las ecuaciones de algunos casos prácticos requiere más recursos de los que son técnicamente sensatos.

Ascensor es una cuestión de definición

En primer lugar, la sustentación es solo una parte de las fuerzas aerodinámicas. Es el componente normal a la dirección del flujo de aire. Dado que la aeronave distorsionará el flujo local a su alrededor, esta dirección se toma idealmente a una distancia infinita donde el aire no se ve perturbado.

El otro componente es, por supuesto, el arrastre. Se define como la parte de las fuerzas aerodinámicas paralelas a la dirección del flujo de aire.

Las fuerzas aerodinámicas son la suma de todas las presiones locales, que actúan ortogonalmente sobre la superficie local del avión, y las fuerzas cortantes, que actúan paralelas a la superficie local.

Cuando se investigó primero la aerodinámica, los campos eléctricos eran nuevos y emocionantes, y las mismas ecuaciones que ayudan a calcular las fuerzas electromagnéticas podían usarse para calcular las fuerzas aerodinámicas. Por lo tanto, se utilizaron conceptos abstractos como fuentes o sumideros para explicar la aerodinámica. Esto hizo que no fuera más fácil de entender, y muchos autores intentaron encontrar explicaciones más simples. Desafortunadamente, en su mayoría eran demasiado simples y no correctos, pero la próxima generación de autores copiaría en su mayoría lo que se había escrito antes, por lo que los conceptos erróneos seguían circulando.

Para llegar al fondo de esto, podría ayudar mirar el ascensor a nivel molecular:

Cada molécula de aire se encuentra en un equilibrio dinámico entre efectos inerciales, de presión y viscosos:

• Inercial significa que la masa de la partícula quiere seguir viajando como antes y necesita fuerza para convencerse de lo contrario.
• Presión significa que las partículas de aire oscilan todo el tiempo y rebotan en otras partículas de aire. Cuanto más rebote, más fuerza ejercen sobre su entorno.
• Viscosidad significa que las moléculas de aire, debido a esta oscilación, tienden a asumir la velocidad y dirección de sus vecinas.

Las tres contribuciones se entienden bien y con las ecuaciones de Navier-Stokes se pueden expresar completamente matemáticamente. Lo que todavía está mejorando es nuestra capacidad para resolver estas ecuaciones, y en el flujo turbulento, la longitud característica requerida para capturar todos los efectos es tan pequeña que es prácticamente imposible resolver esas ecuaciones por completo con un tiempo y recursos finitos.

Flujo sobre el lado superior del ala

Ahora al flujo de aire: cuando un ala se acerca a una velocidad subsónica, el área de baja presión sobre su superficie superior aspirará aire delante de ella. Véalo de esta manera: arriba y abajo de un paquete de aire tenemos menos rebote de moléculas (= menos presión), y ahora el rebote constante del aire debajo y arriba de ese paquete empujará sus moléculas de aire hacia arriba y hacia ese ala. El paquete de aire se elevará y acelerará hacia el ala y será succionado hacia esa área de baja presión. Debido a la aceleración, el paquete se estirará a lo largo y su presión caerá en sincronía con su velocidad. La propagación ocurre en la dirección del flujo: el paquete se distorsiona y se estira a lo largo, pero se contrae en la dirección ortogonal al flujo. Una vez allí, "verá" que el ala debajo de él se curva alejándose de su trayectoria de viaje, y si ese camino permaneciera sin cambios, se formaría un vacío entre el ala y nuestro paquete de aire. A regañadientes (porque tiene masa y, por tanto, inercia), el paquete cambiará de rumbo y seguirá el contorno del ala. Esto requiere una presión aún más baja para que las moléculas superen su inercia y cambien de dirección. Este aire de flujo rápido y baja presión, a su vez, aspirará aire nuevo por delante y por debajo, desacelerará y recuperará su antigua presión sobre la mitad trasera del ala, y fluirá con su nueva dirección de flujo. hacer que las moléculas superen su inercia y cambien de dirección. Este aire de flujo rápido y baja presión, a su vez, aspirará aire nuevo por delante y por debajo, desacelerará y recuperará su antigua presión sobre la mitad trasera del ala, y fluirá con su nueva dirección de flujo. hacer que las moléculas superen su inercia y cambien de dirección. Este aire de flujo rápido y baja presión, a su vez, aspirará aire nuevo por delante y por debajo, desacelerará y recuperará su antigua presión sobre la mitad trasera del ala, y fluirá con su nueva dirección de flujo.

Tenga en cuenta que la sustentación solo puede ocurrir si el contorno superior del ala se inclina hacia abajo y se aleja de la ruta inicial del aire que fluye alrededor del borde de ataque del ala. Esto podría ser camber o ángulo de ataque; ambos tendrán el mismo efecto. Como el camber permite un cambio gradual del contorno, es más eficiente que el ángulo de ataque.

Flujo sobre el lado inferior del ala

Un paquete de aire que termina debajo del ala experimentará menos elevación y aceleración, y en la parte convexa de las superficies aerodinámicas muy combadas experimentará una compresión. También tiene que cambiar su trayectoria de flujo, porque el ala combada y/o inclinada empujará el aire debajo de ella hacia abajo, creando más presión y más rebotes desde arriba para nuestro paquete debajo del ala. Cuando ambos paquetes lleguen al borde posterior, habrán adquirido cierta velocidad descendente.

Detrás del ala, ambos paquetes continuarán su camino hacia abajo por un tiempo debido a la inercia y empujarán el aire debajo de ellos hacia abajo y hacia los lados. Por encima de ellos, este aire, que antes había sido empujado hacia los lados, ahora llenará el espacio por encima de nuestros dos paquetes. Macroscópicamente, esto parece dos grandes vórtices. Pero el aire en estos vórtices ya no puede actuar sobre el ala, por lo que no afectará la resistencia ni la sustentación. Consulte aquí para obtener más información sobre ese efecto , incluidas imágenes bonitas.

El ascensor se puede explicar de varias formas equivalentes.

Siguiendo la imagen de un campo de presión descrito anteriormente, la sustentación es la diferencia de presión entre la superficie superior e inferior del ala. Las moléculas rebotan contra la piel del ala más en el lado inferior que en el superior, y la diferencia es la sustentación.

O mira la imagen macroscópica: una cierta masa de aire ha sido acelerada hacia abajo por el ala, y esto requirió que una fuerza actuara sobre ese aire. Esta fuerza es lo que mantiene el avión en el aire: Ascensión.

Si ve el ala como una caja negra y solo presta atención al impulso del aire que entra y sale, el ala cambiará el impulso añadiendo un componente hacia abajo. La fuerza de reacción de este cambio de impulso es sustentación.

De cualquier manera, llegarás al mismo resultado. Por cierto: ¡la mayor parte del cambio de dirección ocurre en la parte delantera del perfil aerodinámico, no en el borde de fuga!

flujo supersónico

Cuando el avión se mueve más rápido que los cambios de presión que se propagan a través del aire, los cambios de presión ya no son suaves, sino repentinos. El avión empujará las moléculas de aire a un lado, produciendo un choque de compresión. Detrás del frente de choque, la presión, la temperatura y la densidad son más altas que delante, y el aumento es proporcional al cambio local en la dirección del flujo. El cambio de presión incremental$\delta p$debido a que la aeronave golpea el aire con un ángulo incremental de$\delta\vartheta$, expresado en términos del flujo no perturbado con el índice$\infty$, es proporcional al cambio en las líneas de corriente:

La presión del gas a nivel molecular es el número y la gravedad de las colisiones de partículas . Las moléculas de aire experimentan más colisiones en el lado aguas abajo del choque, ya que la presión del aire es más alta allí. La dirección promedio de las colisiones adicionales es de hecho ortogonal al choque, porque es el límite entre las moléculas felizmente inconscientes a la presión ambiental antes del choque y sus hermanos magullados río abajo que acaban de cruzar ese límite. Una vez que una molécula ha pasado el choque, las colisiones se producen de nuevo por igual desde todos los lados y su velocidad no cambia más.

Si la superficie se curva alejándose de la dirección del flujo local, el aire produce un ventilador de expansión que restablece los valores anteriores de presión y densidad cuando el aire fluye nuevamente en su dirección original.

La sustentación supersónica pura es solo una cuestión del ángulo de incidencia, y cualquier curvatura local del ala no cambiará la sustentación general (pero aumentará la resistencia). Ahora la fuerza aerodinámica total es normal al ala, y la resistencia será proporcional al ángulo de incidencia. En el flujo hipersónico obtendrá buenos resultados con la venerable teoría del impacto formulada por primera vez por Isaac Newton.

Flujo separado

Esto sucede cuando las moléculas de aire ya no pueden seguir el contorno de la aeronave . En cambio, obtiene un patrón de flujo caótico y oscilante que es muy difícil de calcular con exactitud. Esta es realmente la única parte de la aerodinámica que no se puede predecir con precisión, aunque los efectos se conocen bien. El flujo separado también producirá sustentación, pero menos que el flujo adjunto. En las alas delta, esta separación se produce a propósito para crear lo que se denomina sustentación en vórtice .

De este papel :

El principio de tiempos de tránsito iguales es válido solo para un ala con sustentación cero. [!!]

[...]

El aire pasa sobre el ala y se dobla hacia abajo. La primera ley de Newton dice que ellos [sic] deben ser una fuerza en el aire para doblarlo (la acción). La tercera ley de Newton dice que debe haber una fuerza igual y opuesta (hacia arriba) en el ala (la reacción). Para generar sustentación, un ala debe desviar mucho aire hacia abajo.

[...]

Entonces, ¿cómo un ala delgada desvía tanto aire? Cuando el aire se dobla alrededor de la parte superior del ala, tira del aire de arriba y lo acelera hacia abajo. De lo contrario, habría vacíos en el aire por encima del ala. El aire se tira desde arriba. Este tirón hace que la presión disminuya por encima del ala. Es la aceleración del aire sobre el ala en la dirección hacia abajo lo que da sustentación.

Nosotros (aquellos de nosotros que leemos esto) podemos concluir lo siguiente sobre nuestra comprensión (de la humanidad en general) del ascensor:

• Ciertamente lo entendemos lo suficientemente bien como para diseñar aeronaves, y puede haber superposición con este conocimiento en otras áreas, como quizás el diseño de generadores de energía eólica.
• Muchos creen que tenemos una comprensión bastante completa de la sustentación.

La segunda viñeta no está en absoluto en impune del excelente (¡y desafiante!) trabajo realizado a lo largo de la historia en dinámica de fluidos, física aeronáutica e ingeniería aeronáutica. Es simplemente para permitir la posibilidad de futuros cambios de paradigma en nuestra comprensión de esos temas, incluso si esos cambios no afectan la práctica de diseño común o las discusiones prácticas de ascensor. Un ejemplo histórico de ese último punto sería la Relatividad General como un cambio de paradigma en nuestra comprensión de la gravedad, mientras que la teoría gravitatoria newtoniana todavía se usaba para el programa lunar y todavía se enseña y usa ampliamente para situaciones que no requieren una precisión extrema.

Además de los enlaces en el comentario de Frederico, consulte también: https://physics.stackexchange.com/questions/290/what-really-allows-airplanes-to-fly

Editar:

Esta página de la NASA analiza la controversia de "Bernoulli versus Newton" y concluye que ambas explicaciones de sustentación son "correctas" y que hay aún más. Se mencionan las Ecuaciones de Euler y las Ecuaciones de Navier-Stokes. Esta página de la misma serie en el sitio de la NASA sugiere que los expertos entienden bastante bien la sustentación, pero la mayoría de las fuentes populares la explican mal:

Hay muchas explicaciones para la generación de sustentación que se encuentran en enciclopedias, en libros de texto de física básica y en sitios web. Desafortunadamente, muchas de las explicaciones son engañosas e incorrectas. Las teorías sobre la generación de sustentación se han convertido en una fuente de gran controversia y en un tema de acaloradas discusiones. Para ayudarlo a comprender el ascensor y sus orígenes, una serie de páginas describirá las diversas teorías y cómo fallan algunas de las teorías populares.

El levantamiento ocurre cuando un flujo de gas en movimiento es girado por un objeto sólido. El flujo gira en una dirección y la sustentación se genera en la dirección opuesta, de acuerdo con la Tercera Ley de acción y reacción de Newton. Debido a que el aire es un gas y las moléculas pueden moverse libremente, cualquier superficie sólida puede desviar un flujo. En el ala de un avión, tanto la superficie superior como la inferior contribuyen al giro del flujo. Despreciar la parte de la superficie superior al girar el flujo conduce a una teoría incorrecta de la elevación.

El problema aquí es que "correlación no implica causalidad". Ni el principio de Bernouilli ni las leyes del movimiento de Newton explican la sustentación. Ambos dan métodos válidos para calcular la fuerza de sustentación a partir del patrón de flujo de aire alrededor del ala, pero ninguno de ellos explica por qué el patrón de flujo es el que es .

Ideas como "tiempo de tránsito igual" al menos intentan dar una razón "por qué", pero los experimentos que visualizan el patrón de flujo con humo demuestran que eso es simplemente incorrecto .

La mejor "explicación de una palabra" de lo que causa la sustentación es la viscosidad del aire. La viscosidad es la razón por la cual no puede haber discontinuidades en el patrón de flujo general*. En particular, las velocidades del aire a ambos lados del borde de fuga relativamente afilado del ala tienen que ser las mismas, de lo contrario, el efecto de la viscosidad en ese punto se propagaría río arriba a través del aire (a la velocidad del sonido) y cambiaría el flujo global. patrón.

Si no hubiera viscosidad, ningún ala de ninguna forma produciría sustentación o fuerza de arrastre.

*Limitemos esta discusión a los flujos subsónicos. La introducción de ondas de choque en el flujo de aire hace que una discusión no matemática de "agitar la mano" sea más complicada, pero no invalida el punto esencial que estoy tratando de hacer.

¿Cuán completo es nuestro entendimiento?

• Lo suficientemente completo como para diseñar y volar una serie de aeronaves complejas de diferentes tamaños, formas y aplicaciones.
• Lo suficientemente completo como para extraer energía usándolo.

En un nivel básico, la sustentación es la fuerza generada cuando un cuerpo sólido se 'convierte' en fluido mientras se cumplen las leyes de conservación. El problema no es que no sepamos qué es el ascensor, sino que no hay consenso sobre cómo explicarlo. La mayoría de las 'teorías' del ascensor son solo modelos que intentan explicar lo mismo basándose en los puntos de vista de las personas involucradas.

La forma en que el piloto ve el ascensor es diferente a la de un ingeniero o un matemático. Para el piloto, la sustentación es una fuerza que mantiene la aeronave en el aire (y proporcional a$\rho V^{2} S$y ángulo de ataque, al menos hasta la pérdida), mientras que un matemático puede decir que la sustentación 'sigue naturalmente' resolviendo la ecuación de Navier-Stokes (si se puede resolver de manera realista o no es otra cuestión) para algunas condiciones. Por supuesto, esto no tiene ningún uso práctico ni para el ingeniero ni para el piloto. Ambos pueden afirmar (con razón) que son correctos, mientras que un físico puede objetar que NS asume que el fluido es un continuo, mientras que en realidad no es así.

Esta es la razón de tantas teorías del ascensor. Como el flujo de fluidos es extremadamente complejo, se realiza alguna simplificación en cada teoría (como omitir la viscosidad en la teoría de Euler o del flujo potencial). Con base en la simplificación, la teoría es útil en algunas (o en la mayoría) de las situaciones o es completamente incorrecta.

¿Qué bits aún están en disputa y qué bits se aceptan por completo?

Casi todas las 'teorías' de sustentación aceptan que la sustentación es una fuerza y ​​sus requisitos. En lo que respecta a la ingeniería, la cuestión es qué partes son necesarias para el problema en cuestión.

Por ejemplo, la teoría del flujo potencial puede predecir la sustentación siempre que no nos acerquemos a la pérdida. Después de eso, todas las apuestas están cerradas. No tiene sentido discutir sobre el resultado de una teoría después de usarla en una situación para la que no fue diseñada en primer lugar.

Esta es la razón de los argumentos sobre el ascensor. Algunas teorías se desarrollan para describir una situación particular (por ejemplo, flujo no viscoso) y luego se aplican en general, lo que obviamente genera confusión y disputa.

En lo que respecta a la ingeniería, tenemos suficiente comprensión de la sustentación para crear las máquinas voladoras que necesitamos, aunque no tanto como para explicar todo lo que sucede con precisión.

TL; DR : podemos modelar con mucha precisión las fuerzas aerodinámicas a nivel micro; podemos predecir razonablemente el comportamiento a nivel macro agregando modelos de nivel micro (CFD). No tenemos una historia de aplicación universal de por qué el comportamiento del nivel macro es el que es.

Explicación más completa:

A riesgo de ser un poco pedante, retrocederé un par de pasos de abstracción para brindar una imagen más completa.

La fuerza aerodinámica general sobre un cuerpo se descompone en vectores normales a la dirección de desplazamiento y paralelos a la dirección de desplazamiento, que se denominan "ascensor" y "arrastre" respectivamente; no son fuerzas distintas en y por sí mismos. La propia fuerza aerodinámica a menudo se descompone en una escala diferente en presión y fricción; en su mayor parte, la fricción solo contribuye al componente de "arrastre", mientras que la presión contribuye a los componentes de "elevación" y "arrastre".

Tratar de contar una historia estilizada sobre por qué la presión y la fricción integradas en todo el cuerpo dan como resultado una fuerza neta particular es, en el mejor de los casos, un desafío, ya que se ve afectado por las idiosincrasias de cada cuerpo; varios modelos (como Venturi, downwash y circulación) realmente solo brindan a los diseñadores y analistas reglas generales generales dentro de regímenes de vuelo particulares.

Este último punto es más importante de lo que parece. Tan pronto como ingresa al vuelo transónico (una mezcla de flujo subsónico y supersónico en la superficie del cuerpo), la resistencia aumenta precipitadamente (choques permanentes que crean gradientes de presión adversos). Pasando al vuelo completamente supersónico, encuentra otro conjunto de comportamientos (porque el choque principal altera radicalmente la distribución de la presión en el cuerpo). Ni siquiera me hagan comenzar con el flujo hipersónico (donde el cambio de temperatura a través de los choques es suficiente para descomponer el N2 y el O2 del aire mismo).

La respuesta de Edit Peter Kampf cubrió la mayoría de los mismos temas que la mía, con imágenes, así que solo agregaré esto para completar:

Científicamente hablando, el ascensor se entiende perfectamente. La sustentación es simplemente el componente vertical de la fuerza generada por un cuerpo que se mueve a través de un fluido. Y sabemos perfectamente cómo calcular las fuerzas sobre un cuerpo que se mueve a través de un fluido desde que se publicaron las ecuaciones de Navier-Stokes en 1822. Es decir, conocemos la física de la misma y tiene que ver con la viscosidad de los fluidos (en el caso de aeronaves, aire).

Pero usar las ecuaciones de Navier-Stokes para diseñar un ala es como tratar de usar la electrodinámica cuántica (QED) para cocinar el bistec perfecto. Dado que la gravedad no está involucrada en la perfección del bistec, todo lo que necesita para formular un bistec perfecto es QED.

Las ecuaciones de Navier-Stokes calculan las fuerzas en un solo punto del ala. Por lo tanto, debe repetir los cálculos en toda el ala para calcular la sustentación. Durante los últimos más de 190 años, matemáticos e ingenieros han formulado algoritmos más simples para calcular el resultado de las ecuaciones de Navier-Stokes y durante los últimos 30 años hemos utilizado computadoras para calcular la sustentación. Sin embargo, puedes ver cómo esto no te dice la forma ideal para generar las características aerodinámicas que deseas. También puede ver cómo esto no explica "elevación" en términos que un humano pueda entender. Son solo grandes matrices de números.

¿Es posible explicar el ascensor en términos que un humano pueda entender? Quizás. Ciertamente hemos dado nombres a cómo ciertas formas generan cierta salida cuando se someten a las ecuaciones de Navier-Stokes. Nombres como "Efecto Coanda" y "Principio de Bernoulli", etc. Al final, a la naturaleza/física no le importa qué nombre le demos a nuestra interpretación del resultado de las ecuaciones de Navier-Stokes, si el cálculo de las ecuaciones da como resultado una vertical. vector de fuerza hacia arriba tienes ascensor. Tal vez, como la física cuántica, nunca obtengamos una comprensión intuitiva completa de lo que es la sustentación. Pero ciertamente tenemos la teoría completa para explicarlo.

Nota adicional: además de no ser útiles para ayudarnos a formular una teoría del diseño de alas, las ecuaciones de Navier-Stokes también son problemáticas porque son computacionalmente costosas. Por ejemplo, a menudo no es práctico usar las ecuaciones de Navier-Stokes para simular turbulencias (aunque en teoría es posible). Así que a menudo tomamos atajos para ciertas formas de simulaciones usando otras ecuaciones más simples pero menos perfectas.

La sustentación se genera porque las moléculas de aire rebotan en el perfil aerodinámico, tanto en la superficie superior como en la inferior. Es la diferencia en la cantidad de momento transferido en estas colisiones lo que crea sustentación. Es, (obviamente), solo la velocidad de las moléculas de aire que es normal (perpendicular) al perfil aerodinámico, lo que produce sustentación.

El principio de Bernoulli es cierto, porque la cantidad de movimiento promedio TOTAL de cualquier molécula de aire en un flujo incompresible (subsónico) es una constante. Por lo tanto, si la velocidad del aire paralelo al perfil aerodinámico aumenta , la componente normal de la velocidad debe disminuir para mantener el total constante.

Entonces, si el aire se mueve más rápido, el componente normal debe ser más lento y su presión (contra el perfil aerodinámico) debe ser menor.

Por lo tanto, el argumento de la distancia más larga para viajar solo es falso si intenta suponer que solo puede ser generado por un perfil aerodinámico asimétrico. Otras cosas también pueden cambiar la distancia de viaje (y la velocidad resultante) del aire a través del perfil aerodinámico. Si un perfil aerodinámico simétrico está inclinado al viento relativo, entonces a medida que el aire fluye a través del perfil aerodinámico en el lado donde el perfil aerodinámico se dobla alejándose del flujo, el aire debe viajar una distancia más larga (para llenar el espacio creado por la inclinación) que aire que fluye a través de la superficie en el otro lado, donde la superficie está inclinada hacia el viento relativo, y debe comprimirse (en flujo supersónico) o alejarse (cambiar de dirección) del perfil aerodinámico (en flujo subsónico).

Esto se debe a que en el flujo subsónico (incompresible), el aire no puede hacer un cambio instantáneo de dirección cuando llega al borde de ataque del perfil aerodinámico. Si el ángulo de ataque (AOA) era de 10 grados, el aire no hace un cambio de dirección instantáneo de 10 grados. Desde el punto del borde de ataque que se aleja del perfil aerodinámico, el cambio de dirección y la presión resultante cambian gradualmente a medida que se aleja. el resultado es que el flujo de aire sigue una trayectoria curva y recorre una distancia mayor en este lado de la superficie aerodinámica que en el otro lado, incluso para una superficie aerodinámica simétrica.

Los principios de la aerodinámica y la dinámica de fluidos son lo que usted llamaría "bien entendidos".

La ambigüedad está en torno a qué es el llamado "ascensor", que puede ser un concepto nebuloso. Por ejemplo, si deja caer una hoja de papel, se desplazará lentamente hacia el suelo, esencialmente una forma de deslizamiento; esta misma resistencia del aire es la fuerza básica que mantiene un avión en el aire. ¿Considerarías este "ascensor"? Una vez que entras en estos argumentos sobre la semántica, las cosas se vuelven vagas.

Solo como un ejemplo de la locura, la prueba de la FAA, la misma que está tomando, requiere que conozca las "cuatro fuerzas de vuelo" en las que el llamado "ascenso" es la fuerza que mantiene el avión en el aire. El único problema es que puedes calcular la sustentación mediante las ecuaciones que se encuentran en todos los libros de aerodinámica y si realmente haces esto (como lo hice yo) encontrarás que la fuerza generada no es lo suficientemente cercana para mantener un avión en el cielo. Si "elevación" fuera la fuerza que mantiene un avión arriba, caería como una roca, por lo que las pautas de la FAA simplemente están completamente equivocadas. Es solo una enorme bola de pelo semántica que no va a desaparecer pronto.

La peor parte es que TODOS los pilotos (o aspirantes a piloto) que he conocido piensan que saben exactamente qué es "ascensor" y, lo que es peor, sus creencias generalmente caen en una de 5 o 6 categorías diferentes con principios contradictorios. Esto lleva a grandes discusiones cada vez que surge el tema. Después de 15 años de esto, solo trato de mantenerme al margen, aparte de decirles a los principiantes que no cometan el mismo error (como les digo ahora).