¿Cuál es la relación entre potencia y eficiencia de combustible?

Desafortunadamente, la causa y el efecto en esta pregunta son realmente confusos. La excelente respuesta de Peter Kampf debería explicar la mayor parte de lo que necesita, pero es posible que encuentre su respuesta difícil de entender porque todavía está operando con la idea de que la palanca solo maneja la velocidad y el acelerador solo maneja la altitud.

Si este es el caso, considere esta analogía: imagine que hay tres cubos de energía disponibles para cualquier avión: química, potencial y cinética. (nota para los pedantes: sí, la energía química es energía potencial. Váyanse).

• La energía química se almacena como combustible (dinosaurios muertos). Es liberado por el motor y se puede convertir en altitud o velocidad aerodinámica o en ambos.

• La energía potencial es la altitud por debajo de usted: la energía que se almacena en el avión como altitud. Se puede convertir en velocidad aerodinámica, pero no en dinosaurios muertos.

• La energía cinética es la velocidad aerodinámica: el impulso de la aeronave. Se puede convertir en altitud, pero no en dinosaurios muertos.

Mientras los motores estén funcionando, el "cubo" de energía química siempre está vertiendo energía en los otros dos cubos. El acelerador determina cuánta energía se vierte por segundo. El yugo (palo) determina la distribución de esa energía, ya sea que el balde cinético esté vertiendo energía en el balde potencial, o viceversa, o ninguno.

Lo que esto significa es que si quieres ascender, no es suficiente decir que simplemente tienes que tirar de la palanca hacia atrás, o que simplemente necesitas aumentar el acelerador. El mero hecho de aumentar la aceleración con el morro apuntando al suelo no ayuda a ascender. El simple hecho de tirar hacia atrás de la palanca con el avión ya en el ángulo crítico de ataque no ayuda a ascender. Para ascender, debe "llenar el cubo de altitud", que (como dice Peter) siempre es una combinación de cabeceo y potencia.

En cuanto a su pregunta real sobre la eficiencia del combustible, dado que se basa en suposiciones falsas, solo diré que depende de las circunstancias del vuelo, pero ciertamente no es correcto decir que el mayor consumo de combustible es siempre el resultado de la mayor configuración del acelerador. necesaria para alcanzar una altura mayor.

No es esto hace eso y nada más. Siempre es una combinación.

En el ascenso, debe proporcionar más energía a la aeronave porque está aumentando su energía potencial. Esto se puede tomar de la energía que se habría gastado para superar la resistencia en vuelo horizontal volando más lento. Se necesita menos energía para mantener la velocidad de vuelo ahora más baja, por lo que queda algo para escalar.

Cuando tiras de la palanca, ajustas la aeronave para una velocidad de vuelo más baja (al menos si vuelas en una configuración naturalmente estable), por lo que parte del exceso de energía debe gastarse de otras maneras. El avión sube.

Si avanza el acelerador, la velocidad recortada permanecerá igual, pero ahora hay más energía disponible para gastar. Se gastará en escalar, porque la velocidad ya está establecida por el ángulo del elevador.

En un motor de pistón no sobrealimentado (aspiración normal), la disminución de la densidad del aire con el aumento de la altitud proporcionará menos aire con cada llenado de los pistones. Debe inclinar el motor para mantener constante la relación combustible-aire, de modo que el motor consuma menos combustible a la misma velocidad del motor, pero también proporcione menos potencia y empuje. Dado que el aire también es más delgado para todas las demás partes del avión, su velocidad real del aire aumentará, su resistencia disminuirá a la misma velocidad real del aire y podrá volar más rápido. Pero dado que su motor de aspiración normal proporcionará menos potencia, debe avanzar el acelerador para mantener su actitud, velocidad y velocidad de ascenso. En algún momento, alcanzará la máxima potencia y, a medida que siga ascendiendo, la velocidad de ascenso disminuirá hasta que alcance la máxima altitud de vuelo de la que es capaz su avión.

Volar más alto aumentará la eficiencia del motor debido a la menor temperatura del aire, pero este efecto es pequeño para los aviones de pistón. Sin embargo, una vez que cambie a aviones, turbohélices y jets sobrealimentados, su altitud máxima de vuelo mucho más alta hará que volar más alto sea notablemente más eficiente .

La velocidad de vuelo, sin embargo, hace una diferencia sustancial, especialmente para los aviones de pistón. Su coeficiente de elevación de crucero óptimo es$c_L = \sqrt{c_{D0}\cdot\pi\cdot\Lambda}$y es bastante alto. Volar bajo significa que volará mucho más rápido de lo que exige este óptimo, y cuanto más alto vuele, más cerca estará de este óptimo, simplemente porque su motor no le permitirá una velocidad más alta. Es por eso que volar más alto ayuda a volar de manera más eficiente.

Agregaré una cosa sobre la eficiencia del motor.

Los motores de los aviones son más, o al menos no menos, eficientes con un ajuste de potencia más alto .

1. En los motores de encendido por chispa (gasolina), el acelerador agrega resistencia a la admisión cuando está cerrado, por lo que son más eficientes con el acelerador completamente abierto y una mezcla ligeramente pobre para que se queme todo el combustible. Los motores modernos de inyección directa a menudo admiten la "combustión ultrapobre" cuando se deja abierto el acelerador y la potencia se regula inyectando menos combustible, es decir, una mezcla muy pobre, pero la mayoría de los motores de avión son diseños más antiguos que no funcionan bien con una mezcla demasiado pobre, por lo que son menos eficientes con menos aceleración.

2. Los motores de turbina también son más eficientes a mayor potencia. No estoy seguro de la razón, pero probablemente porque la etapa de alta presión consume relativamente menos energía para impulsar el compresor, dejando más energía para la etapa de baja presión que impulsa la hélice (al ralentí, la potencia de la hélice es mínima, pero el núcleo sigue girando). bastante rápido; a menudo alrededor del 60% de rpm en comparación con la potencia máxima).

3. Solo los motores diésel en los que la potencia se controla solo por la cantidad de combustible inyectado (corresponde a la mezcla en los motores encendidos por chispa) no son menos eficientes en configuraciones de potencia más bajas, pero tampoco lo serán en la potencia de crucero.

Y ahora combínelo con el hecho de que su arrastre es aproximadamente el mismo a la misma velocidad indicada independientemente de la altitud, pero a mayor altitud la misma velocidad indicada corresponde a una mayor velocidad real (y por lo tanto respecto al suelo).