¿Es la fuerza vertical ascendente total (ascensor incluido) mayor que el peso en un ascenso constante?

de https://aneedforairspeed.wordpress.com/2009/06/27/climbing-descending/

Relacionado con las preguntas sobre las fuerzas en un ascenso : si cualquier avión asciende con una velocidad constante, ¿la fuerza vertical ascendente total (ascensor incluido) es mayor que el peso?

Ya tenemos una pregunta que pregunta específicamente "Mi pregunta, por lo tanto, también es sobre la suma de todas las fuerzas verticales: en un ascenso constante, ¿es la fuerza vertical ascendente total de todas las fuentes (ala, cola, motores, fuselaje) mayor o igual que al peso de la aeronave". Consulte ¿Levanta el mismo peso en una escalada?
El cuerpo de la pregunta indaga sobre la fuerza ascendente total, que podría interpretarse como la fuerza vertical neta excluyendo el peso o la suma de los componentes de la fuerza ascendente . Dado que al menos una fuerza aerodinámica tiene un componente hacia abajo, no son lo mismo. El título pregunta sobre la fuerza vertical total, lo que presumiblemente significa la fuerza vertical neta (¿aerodinámica?), es decir, la suma de todas las fuerzas verticales distintas del peso. El título y el cuerpo podrían necesitar alguna edición para estar mejor armonizados y ser más claros sobre cuál de estas cosas está preguntando.
(Así que considere cambiar el título para que diga "¿Es la suma de las fuerzas ascendentes mayor que el peso en un ascenso constante?", o "¿Es la fuerza aerodinámica vertical neta mayor que el peso en un ascenso constante?", dependiendo de lo que realmente desee saber.)
¿Es el levantamiento mayor que el peso en una escalada? se preguntó hace 4 años, editarlo ahora puede hacer que muchas de las respuestas no coincidan. Estaba activo nuevamente cuando se agregó esta respuesta , inicialmente indicando que lo estaba. Recibió bastantes votos negativos. Es importante darse cuenta en el debate de que la fuerza vertical hacia arriba es mayor que el peso en un ascenso, pero la sustentación no lo es necesariamente, dependiendo de la inclinación del vector de velocidad del avión.
Es interesante lo vagas que pueden llegar a ser las palabras sencillas (supongo que por eso un diagrama de vector de fuerza vale más que mil palabras). Todavía no tengo completamente claro si estás preguntando sobre la fuerza aerodinámica vertical neta o la fuerza aerodinámica neta. fuerza vertical, o está interesado en sumar todos los componentes de la fuerza aerodinámica hacia arriba (mientras ignora los componentes de la fuerza aerodinámica hacia abajo) y compara ese valor con el peso: mi respuesta Aviation.stackexchange.com/a/56476/34686 pregunta relacionada tiene la intención de abordar todos esos casos diferentes--
Vamos.. F=ma! Si la aceleración vectorial neta es cero, entonces la suma de todas las fuerzas vectoriales también debe ser igual a cero. Cómo los llamas, o cómo los divides en componentes arbitrarios, es simplemente picar liendres. Si los define y los separa de cualquier manera en la que la suma NO sea cero, entonces lo ha hecho mal o se ha perdido uno o más de ellos. Recuerde que cualquier esquema utilizado para definir todas las fuerzas es solo un juego de manos... Las fuerzas físicas reales reales son la fuerza ejercida por cada molécula de aire/gas que rebota en la estructura del avión, y la hélice mientras gira, o la turbina en el motor a reacción, etc. etc.
Se agregó la palabra Upwards en el título, votando para reabrir.
Usando un cohete vertical como modelo, la respuesta es obviamente sí , como arrastre vertical + peso = "fuerza vertical ascendente total" (en un ascenso en estado estable). Lo que lo hizo tan interesante hace todos esos años fue reemplazar el ala más eficiente con empuje para obtener un ángulo de ascenso más alto , y comparar eso con usar empuje para subir más rápido, pero en un ángulo más bajo . Por lo tanto, continúa la discusión sobre el ascenso de crucero Vx, Vy.
@quietflyer En su respuesta a Lift Greater Than Weight, afirma: “ En un ascenso constante, la fuerza vertical neta debe ser cero, por lo que la fuerza aerodinámica vertical neta debe ser igual al peso. ”. Más componente vertical de arrastre, como se ilustra en la respuesta.
@Sanchises ¿Estás contento con los cambios ahora?
@Koyovis dibuje el diagrama vectorial cerrado (mejor aún a escala) que muestre el empuje que cierra el triángulo de elevación más empuje que supera la resistencia aerodinámica. Esencialmente, son diagramas de volantes silenciosos más un "mango en el costado" para los vectores de arrastre y empuje iguales pero opuestos. Para los tres casos, podemos ver cómo se puede usar el exceso de empuje para escalar. No olvide que una mayor velocidad aerodinámica hace un "mango" más grande, un ascenso más pronunciado puede ser una velocidad más baja, un vector de sustentación más pequeño, pero mucho más uso del exceso de empuje para el pecado del ángulo de ascenso .
También recuerde (para accesorios) el exceso de empuje es mayor a velocidades aerodinámicas más bajas, así que sí, es complicado. Vamos con 2400 lbs de sustentación (en vuelo nivelado), 700 lbs de empuje disponible en Vx, 650 en Vy y 550 en ascenso de crucero. Arrastre aerodinámico 300 lbs en Vx, 250 lbs en Vy, 350 lbs en ascenso de crucero. Mira lo que obtenemos. Los diagramas arrojarán el ángulo de ascenso , luego podemos arrojar V como un factor de potencia (F × V) para obtener tasas de ascenso .
Como sen ángulo x V.
@RobertDiGiovanni Ehm... esa fue otra pregunta, un par de ellas. El punto de este es reconocer que no solo el peso debe ser compensado por una combinación de fuerzas ascendentes. Cualquiera que sea la combinación, ha sido respondida con mucho detalle. .
Sí, mucho. TL/DR? Vectores cerrados a escala , no lo he visto, particularmente para la presentación de su pregunta porque: el arrastre en Vx es mayor debido a un AOA menos óptimo, el arrastre es mayor en "crucero" debido a una velocidad menos óptima. Vy combina lo mejor de ambos para obtener la mayor tasa de ascenso , que es el mayor exceso de potencia como F × V. Ambos estamos predicando al coro, pero suena bien. (y todavía tenemos que pensar en esa curva de empuje disponible también).
@Koyovis -- re "@quietflyer En su respuesta a Lift Greater Than Weight, afirma: "En un ascenso constante, la fuerza vertical neta debe ser cero, por lo que la fuerza aerodinámica vertical neta debe ser igual al peso". Más el componente vertical de arrastre, como se ilustra en la respuesta". -- no, en un ascenso en estado estable, la fuerza aerodinámica vertical neta , la suma vectorial de todos los componentes aerodinámicos hacia arriba y hacia abajo , debe ser igual en magnitud al peso (y opuesta en dirección, por supuesto).

Respuestas (4)

Esta pregunta es puramente un problema de definición, y la respuesta es 'sí' o 'no' según las definiciones que use. En la física newtoniana, muchas interacciones complejas se modelan como vectores únicos agrupados que llamamos "fuerzas". Estas fuerzas comparten buenas propiedades con los vectores: en particular, que podemos descomponer vectores en múltiples vectores, o sumar múltiples vectores en un solo vector. Una de las principales razones para hacerlo es descomponer un vector en componentes paralelos a algún sistema de coordenadas (típicamente ortogonal).

Una observación importante es que no existe una forma 'verdadera' de representar las fuerzas que actúan sobre el fuselaje. Si bien algunas descomposiciones son más populares que otras, todas son igualmente válidas (si se realizan correctamente). Tomaré dos ejemplos, uno de los cuales llega a su conclusión 'sí', el otro 'no'.

Ejemplo 1. Descomponer las fuerzas aerodinámicas sobre el avión, paralelas y ortogonales a la trayectoria de vuelo. Llame a uno 'levantamiento', llame al otro 'arrastre'. Supongamos que el 'empuje' también es paralelo a la trayectoria de vuelo. El peso se representa como un solo vector, ortogonal a la Tierra, y no se descompone a lo largo de la trayectoria de vuelo. Ahora tome todas las fuerzas que descomponemos a lo largo de la ruta de vuelo y descompóngalas nuevamente pero ahora ortogonales a la Tierra. Ahora, solo mire las fuerzas que apuntan 'hacia arriba', que en un ascenso (pero no en un descenso) elimina el componente vertical del vector 'arrastre', y compárelo con el vector de peso. Con este elaborado procedimiento, podemos concluir que la respuesta es 'sí'.

Ejemplo 2. Combine todas las fuerzas aerodinámicas en el avión en un solo vector en lugar de descomponerlas en sustentación y arrastre, lo que se denomina "fuerza aerodinámica neta". Deje el vector de empuje y peso sin cambios. Nuevamente, descomponemos todos los vectores a lo largo del marco de referencia de la Tierra. Ahora, encontramos que la suma de todos los componentes ascendentes es exactamente igual al peso. Podemos concluir que la respuesta es 'no'.

ingrese la descripción de la imagen aquí Nota: la fuerza aerodinámica neta se muestra en el diagrama de la izquierda solo como ilustración para mostrar que es la suma de la sustentación y la resistencia, y en realidad no es parte del equilibrio de fuerzas del ejemplo 1.

¿ Sería este caso el ejemplo 2 también?
@Koyovis En ese caso, no hay sustentación, solo arrastre, por lo que no hay diferencia en la fuerza aerodinámica neta y los vectores de sustentación y arrastre descompuestos. Si su ascenso es lo suficientemente empinado, el ejemplo 2 cambia de 'no' a 'sí'. (1/2)
De cualquier manera, esto resalta por qué me pregunto cuál es el valor práctico de su pregunta, porque la respuesta cambia según las definiciones y las condiciones de vuelo. ¿Qué inspiró exactamente esta pregunta? (2/2)
La resistencia que apunta hacia abajo también está presente en las subidas poco profundas, si es lo suficientemente pequeña como con los aviones GA, puede despreciarse. Cuando se trabaja con la aerodinámica de helicópteros y aviones militares, es muy evidente que esta fuerza debe tenerse en cuenta en las preguntas sobre sustentación y ascenso.
@ymb1 Ni idea tampoco. Agrupé la resistencia parasitaria con el resto de las fuerzas aerodinámicas, porque el punto aquí es mostrar que las definiciones que usas para separar las fuerzas que actúan sobre la estructura del avión determinan la respuesta final, no elaborar una descripción completa de todas las fuerzas que actúan sobre el avión.
Esta es la respuesta correcta, por razones que @Sanchises explica bien. Todo depende de las definiciones. Si somos muy pedantes con la pregunta, podemos ver que en un ascenso puramente vertical en estado estable, el empuje neto es el peso MÁS la resistencia. Así que esa es una forma de decir "sí". Pero si nos alejamos de la naturaleza "te pillé" de ese matiz, entonces tenemos un problema de mecánica newtoniana simple que estipula que todas las fuerzas deben equilibrarse en un movimiento de estado estable.
@Robert Mira los diagramas vectoriales. Son demasiado escala. El exceso de empuje está disponible. Equilibrio de fuerzas. ¿Qué estás diciendo?
Lo que estoy diciendo es que las fuerzas se equilibran después de que la velocidad ascendente alcanza el estado estacionario en todos los casos . No hay necesidad de dos diagramas. Por lo tanto, la fuerza ascendente total es igual al peso más el arrastre vertical. No es necesario separar la caja del cohete, la caja del avión, la caja del helicóptero, la caja 1, la caja 2... Sorprendentemente, la respuesta es una simple modificación de las 4 fuerzas que enseñan en la escuela de vuelo. Más aún, cuánto más empuje se requiere para compensar el vector inclinado. (Sospecho que este puede ser el verdadero secreto de las alas de "flujo laminar", inclinando un poco el vector de sustentación hacia adelante ).
@RobertDiGiovanni Los dos diagramas muestran exactamente el mismo caso, con exactamente las mismas fuerzas, pero solo se representan de manera ligeramente diferente para mostrar que las definiciones que usa cambian el resultado. Por favor, haga un esfuerzo honesto tratando de entender lo que estoy escribiendo en lugar de sacar conclusiones precipitadas.
compraré eso Tus diagramas (y volantes de Quiet) inspiraron los míos.

Sí.

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Las fuerzas verticales son fuerzas en el marco de referencia de los ejes terrestres. Así que permaneciendo en este marco de referencia, asumiendo γ ≈ α En un ascenso constante, las fuerzas verticales son:

W + D ⋅ pecado  γ − L ⋅ porque  γ − T ⋅ pecado  γ = 0

  • Apuntando hacia abajo = + = W + D ⋅ pecado  γ
  • Apuntando hacia arriba = - = ( L ⋅ porque  γ + T ⋅ pecado  γ )

Entonces, para continuar subiendo, la fuerza vertical total hacia arriba, que consiste en una combinación de empuje y sustentación, debe ser mayor que el peso por un factor de D * sen γ

Notas:

  1. La fuerza aerodinámica hacia arriba a menudo se llama sustentación. Pero la sustentación se define en el eje aerodinámico del fuselaje y se inclina con la dirección de la velocidad del aire. Entonces, para un avión de ala fija en un ascenso constante, la fuerza vertical total es mayor que el peso, pero la sustentación es menor que el peso.
  2. Si la fuerza hacia arriba cambia, la velocidad de ascenso cambia en consecuencia. Hay una aceleración que provoca un cambio en la resistencia aerodinámica que se detiene cuando las fuerzas vuelven a estar en equilibrio.
Sólo en una atmósfera de densidad constante. En realidad, el avión pierde velocidad de ascenso al aumentar la altitud, por lo que existe un término de desaceleración vertical que reduce la fuerza vertical muy levemente.
¡La elevación NO es una fuerza aerodinámica total hacia arriba! Es la componente de todas las fuerzas aerodinámicas perpendiculares al plano formado por las alas y la trayectoria de vuelo de la aeronave. Si en un ascenso, la trayectoria de vuelo está inclinada hacia arriba y no es vertical, por lo que la sustentación (si tiene el mismo significado) tampoco es vertical. PUEDE definirlo de la forma que desee, supongo, pero definirlo como el componente vertical cuando la aeronave está en un ascenso o descenso pronunciado (o, en realidad, en un banco empinado), solo tiene un propósito, confundir.
@PeterKämpf El avión también está quemando combustible, lo que también reduce el peso con el tiempo. El avión en cuestión asciende a un ritmo constante.
@CharlesBretana Gracias por señalar el valor de hacer esta pregunta dos veces, una sobre la sustentación y otra sobre la fuerza ascendente neta. Mencionado en la nota 1. en la pregunta.
¿Y cuál es la fuerza ascendente neta en un F-16 en un ascenso vertical puro? ¿Contamos la fuerza de la presión dinámica del aire sobre las superficies delanteras de la aeronave como una fuerza negativa hacia arriba? ¿Qué pasa con la fuerza de la presión del aire en las superficies traseras del fuselaje? Por supuesto, están empujando el avión hacia arriba. ¿Son "Lift"? La división de las fuerzas aerodinámicas en componentes definidos se realiza para crear comprensión y simplificar y permitir los cálculos. Aplicar estas definiciones arbitrarias en escenarios donde no ayudan a hacer eso solo confunde.
@CharlesBretana Es una cuestión de definición de ejes. La pregunta anterior está referenciada en ejes terrestres, evitando la confusa inclinación de los ejes del marco de referencia aerodinámico.
Supongo que podrías decir eso. Lo que digo es que la forma en que define los términos (qué ejes usa para definirlos) no solo determina su análisis, sino que establece el contexto para el escenario en el que su análisis será significativo o útil. Definir términos de manera inapropiada (usando el " ejes "erróneos"), da como resultado conclusiones sin sentido o inútiles. En este caso, lo significativo es que la aceleración vectorial DEBE ser directamente proporcional a la suma vectorial de TODAS las fuerzas (F=ma). Cualquier definición de fuerzas o elección de ejes que no muestre claramente que no tiene sentido o es incorrecta.
@CharlesBretana En 3 dimensiones, se construyen sumas vectoriales en cada uno de los 3 ejes. Los ejes son perpendiculares entre sí. La imagen de la pregunta muestra las fuerzas relevantes en los ejes de la tierra en la dirección z, el punto es que hay tres fuerzas verticales, no las dos que generalmente se consideran. Tenga en cuenta que representa la situación a velocidad aerodinámica constante y - velocidad de ascenso.
@Koyovis, en realidad, las sumas vectoriales se pueden calcular en cualquier conjunto de bases. Los ejes cartesianos son solo una de las formas de hacerlo. las fuerzas también se pueden dividir en componentes basadas en ejes polares o esféricos. Ni siquiera tienen que ser normales entre sí (aunque las elecciones de eje no normales introducen complejidades significativas). Además, cuando todas las fuerzas relevantes se encuentran en un plano 2-D, solo es necesario realizar los cálculos basados ​​en una elección de dos ejes que también se encuentran en ese plano. No hay necesidad de incluir un tercer eje cuando no hay fuerzas en esa dimensión.
@Koyovis, finalmente, la elección de qué ejes usar al dividir las fuerzas en componentes vectoriales es fundamental. Elegir un conjunto de ejes que aumente la complejidad de los cálculos necesarios, u ofusque la física subyacente, simplemente porque "Esos son los ejes estándar" o "Así es como siempre lo hacemos", probablemente no sea la forma óptima de hacer ingeniería. La elección de los ejes debe basarse en el problema a abordar.
Si tomamos la pregunta del operador, tal como está redactada, (específicamente su uso de la palabra Vertical, entonces, de hecho, solo hay DOS dimensiones en juego aquí, el eje vertical, (como usted dice, el eje z perpendicular a la superficie de la tierra ), y un eje horizontal paralelo a la trayectoria de vuelo de la aeronave. Y hay dos fuerzas que deben dividirse en componentes a lo largo de esos ejes. La fuerza impartida por el empuje del motor y la fuerza aerodinámica total en la estructura del avión. Las componentes verticales de estas dos fuerzas debe ser igual y opuesta a la "fuerza" ficticia de la gravedad.
..más el componente vertical de la resistencia al flujo de aire.
Bueno, sí, pero incluiría la "resistencia al flujo de aire" como solo una parte de la "fuerza aerodinámica total" en la estructura del avión. Tendemos a dividirlo en una miríada de formas, "Elevación" frente a "Arrastramiento", luego dividimos "Arrastrar" en "Arrastramiento de forma" y "Arrastramiento inducido", donde el arrastre inducido es un componente del levantamiento total que es paralelo a la ruta de vuelo, etc. etc. Pero en realidad, todo es solo el resultado de las moléculas de aire que golpean la superficie del fuselaje. Cada molécula que rebota en el fuselaje imparte una fuerza normal a la superficie en ese punto, proporcional al cambio de momento de las moléculas.
La fuerza aerodinámica total es solo una suma vectorial de todas estas fuerzas moleculares individuales, sobre toda la superficie. Luego, según el problema que estemos tratando de resolver o la situación que estemos tratando de comprender, descomponemos esta suma vectorial en múltiples componentes, orientados en direcciones que tienen sentido para ese problema o situación específica.

Sí, siempre , a menos que no exista resistencia aerodinámica.

Para aeronaves aladas, lo anterior es imposible, por lo que la respuesta es sí, siempre.

Es importante darse cuenta de que se requiere un exceso de empuje para ascender. El exceso de empuje cierra el triángulo peso/ascenso pero no tiene en cuenta la resistencia aerodinámica , que es igual a la cantidad de empuje adicional necesario para mantener la velocidad aerodinámica.

Agregue este "mango" (en la dirección del vuelo) al diagrama vectorial cerrado para la elevación vertical y ¡listo! Existe su componente de arrastre aerodinámico vertical (descompuesto del vector de arrastre aerodinámico).

Siempre ahí , en cualquier ascenso , para cualquier aeronave.

Un avión que tiene una relación de empuje a peso de menos de uno simplemente debe usar una rampa mientras mantiene la velocidad aerodinámica contra la resistencia .

La combinación de exceso de empuje y sustentación soporta el peso, lo que permite un vuelo estable con aceleración 0 (de la gravedad), mientras que el empuje restante a una velocidad dada se opone al arrastre aerodinámico (parte del cual se utiliza para crear sustentación).

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Como esto.

En vuelo nivelado, solo se necesitan alrededor de 300 libras de empuje, ya que el ala mucho más eficiente ahora puede soportar todo el peso.

Si las fuerzas netas son cero, el movimiento será constante, según la segunda ley de Newton.

Si las fuerzas verticales hacia arriba son iguales al peso, tendremos cero fuerzas verticales netas y ningún movimiento vertical (flotar).

Si las fuerzas ascendentes totales son mayores que el peso, tendremos una aceleración vertical hasta que el arrastre lleve la velocidad a un estado estable.

Si todas las fuerzas verticales = peso, la aeronave puede estar ascendiendo, flotando o descendiendo con aceleración 0.

¡Gracias Roberto por las ediciones! ¿Podría comprobar de nuevo si existe un posible conflicto entre el párrafo dos y el cuatro? Si es así, creo que es el párrafo cuatro el que debe mantenerse.
En el párrafo 2, fuerza "hacia abajo" de arrastre = 0, por lo que 2 y 4 no entran en conflicto. Disculpe mi pasión (en la edición). El párrafo 4 cubre los 0 casos de aceleración vertical, de hecho, las fuerzas verticales esencialmente hacen que el avión "ingrávido" dejando el arrastre de la velocidad. (Ahora también podemos pensar en aeronaves).
Ah, ya veo, la resistencia tiene un componente descendente en un ascenso constante. Y suponemos que es una subida. Y excluimos los componentes hacia abajo de las fuerzas verticales hacia arriba. Entonces es la subida más lenta = cómo. ¿No podría todavía darle al lector la expresión de que la fuerza cero siempre tiene que dar un punto muerto y no como en el segundo de Newton un movimiento constante?
Un objeto en un entorno con arrastre y fuerza neta 0 reducirá su velocidad a 0. (¡A menos que se incluya la fuerza de arrastre!). Dado que estamos comparando toda la fuerza hacia arriba con el peso, si hay velocidad hacia arriba, hay un componente de arrastre hacia abajo , por lo tanto...
¿Es la fuerza vertical ascendente total (ascensor incluido) mayor que el peso en un ascenso constante?
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