Descendiendo en una senda de planeo determinada (p. ej., ILS) a una velocidad aerodinámica determinada, ¿el tamaño del vector de sustentación es diferente en el viento de frente que en el de cola?

EDITAR: Esta pregunta realmente no se trata de vectores de elevación. Está preguntando sobre la cantidad total o el valor total de sustentación necesaria con diferentes vientos en contra.

Todo el mundo parece estar complicando demasiado esta pregunta tan básica que se refiere a dos aeronaves idénticas que vuelan por una senda de planeo ILS idéntica con exactamente la misma velocidad indicada. La única diferencia es la cantidad de viento en contra.

Es tan simple. La velocidad de descenso es un resultado directo de la cantidad de sustentación que se produce.

Es un HECHO que la aeronave con menos viento de frente necesitará producir MENOS sustentación que la aeronave con más viento de frente, para mantener la misma velocidad aerodinámica indicada y seguir la trayectoria de planeo.

La velocidad de descenso con viento de frente podría ser de -500 pies/min, mientras que la aeronave con viento de cola podría ser de -1000 pies/min.

La aeronave que mantiene un descenso de -1000 pies/min debido a un viento de cola necesitará producir MENOS sustentación que una aeronave que mantiene un descenso de -500 pies/min con viento de frente.

En esta respuesta, comenzaremos con la suposición simplificada de que el vector de empuje es paralelo al vector de arrastre y la dirección de la trayectoria de vuelo con respecto a la masa de aire circundante.

Vea los triángulos vectoriales de Peso, Elevación y Arrastre para vuelo deslizante ilustrados en estas respuestas relacionadas ( #1 , #2 ). (El diagrama en el segundo enlace ahora también se reproduce en la parte superior de la respuesta actual).

Podemos adaptar estas preguntas a un descenso motorizado simplemente sustituyendo un vector etiquetado como "Arrastre menos empuje" en lugar del vector etiquetado como "Arrastre". Seguiremos teniendo un triángulo vectorial cerrado.

Una vez que hagamos esta simple sustitución, el ángulo etiquetado como "K" en el diagrama en la parte superior de esta respuesta será el ángulo de descenso de la aeronave en algún ángulo de ataque particular y relación L/D y salida de empuje, en aire quieto . Este es también el ángulo de descenso de la aeronave con respecto a la masa de aire circundante .

Tenga en cuenta que Ascensor = Peso * coseno (K).

Esto significa que la sustentación es menor que el peso, y cuanto más pronunciado sea el ángulo de planeo "K" con aire en calma, mayor será la diferencia entre sustentación y peso.

Para lograr la misma trayectoria de descenso con respecto al suelo con viento en contra, debemos cambiar a una trayectoria de descenso más plana con respecto a la masa de aire circundante. Ya sea que aumentemos el Empuje, reduzcamos el Arrastre o ambos, debemos hacer que el vector que hemos vuelto a etiquetar como "Arrastre menos Empuje" se vuelva más pequeño. Esto disminuirá el tamaño del ángulo K. Esto aumentará el tamaño del vector de elevación.

Para lograr la misma trayectoria de descenso con respecto al suelo con viento de cola, debemos cambiar a una trayectoria de descenso más empinada con respecto a la masa de aire circundante. Ya sea que disminuyamos el Empuje, aumentemos la Arrastre, o ambos, debemos hacer que el vector que hemos vuelto a etiquetar como "Arrastre menos Empuje" sea más grande. Esto aumentará el tamaño del ángulo K. Esto disminuirá el tamaño del vector de elevación.

Dado que Ascensor = Peso * coseno (K), el vector Ascensor debe ser mayor cuando descendemos con viento de frente que cuando descendemos con viento de cola, si estamos logrando la misma trayectoria de planeo con respecto al suelo.

Tenga en cuenta que esto es cierto independientemente de si estamos restringiendo el ángulo de ataque para que sea el mismo en ambos casos, o la velocidad aerodinámica para que sea la misma en ambos casos, o ninguno. Esto también es cierto independientemente de si estamos descendiendo en el "lado frontal" de la curva de potencia o en el "lado trasero" de la curva de potencia. Ninguna de estas cosas modifica el hecho de que para permanecer en una senda de planeo fija con respecto al suelo, el ángulo "K" debe ser mayor cuando descendemos con viento de cola que cuando descendemos con viento de frente. Por lo tanto, el vector de sustentación debe ser mayor cuando descendemos con viento de frente que cuando descendemos con viento de cola.

Por supuesto, a medida que variamos el ángulo K, la variación en el tamaño del vector de elevación será tan pequeña que será insignificante en el mundo real. Por ejemplo, cuando se planea con una relación de planeo en aire en calma de 7:1, que corresponde a un ángulo de planeo en aire en calma de unos 8 grados, el vector de sustentación es de aproximadamente 0,99 * peso. Si tuviéramos que cambiar nuestra trayectoria de planeo con respecto a la masa de aire de una relación de planeo de 7:1 a una relación de planeo infinita (es decir, vuelo horizontal), el tamaño del vector de sustentación solo aumentaría en un factor de aproximadamente 1,01. Aun así, técnicamente hablando, cuanto más plano sea nuestro ángulo de planeo con respecto a la masa de aire circundante (es decir, cuanto mayor sea nuestra relación de planeo con aire en calma), mayor debe ser el vector de sustentación.

Entonces, la respuesta básica a la pregunta es que el vector de sustentación es ligeramente más pequeño cuando la aeronave desciende con viento de cola que cuando la aeronave desciende con viento de frente , porque para permanecer en la misma senda de planeo con respecto al suelo , el ángulo de planeo con aire en calma debe ser mayor (es decir, la relación de planeo con aire en calma debe ser más pobre) en el primer caso.

Consideremos una idea específica en la pregunta original:

Estaba argumentando que si tienes viento de cola, tendrás que aumentar el ángulo de ataque, lo que significa que la resistencia parásita aumentará, por lo que el valor de la sustentación tendrá que aumentar.

Esta es una tesis defectuosa. Para volar con la misma velocidad aerodinámica, ¿por qué necesitarías un ángulo de ataque más alto cuando tienes viento de cola? Hemos visto que, sin tener en cuenta los efectos de una línea de empuje inclinada en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo, el vector de sustentación en realidad debe ser un poco más pequeño cuando la trayectoria de planeo con aire en calma es más pronunciada , lo que describe el caso del viento de cola. Para mantener la velocidad aerodinámica constante, la aeronave debe volar con un ángulo de ataque ligeramente más bajo cuando desciende con una trayectoria de planeo con aire en calma más inclinada (es decir, en el caso de viento de cola) que cuando desciende con una trayectoria de planeo con aire en calma menos profunda (es decir, la caso de viento en contra).

Ahora para otro giro--

Si complicamos la imagen reconociendo que la línea de Empuje puede estar inclinada para apuntar un poco hacia arriba o hacia abajo de la dirección del vector de Arrastre y la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire, esto puede empequeñecer los efectos descritos anteriormente. La pregunta original restringe la velocidad del aire para que sea la misma en el caso de viento de frente que en el caso de viento de cola, por lo que la aeronave debe estar volando a casiel mismo ángulo de ataque en cada caso. Imagine un caso en el que estamos volando nuestra aproximación "en la parte posterior de la curva de potencia", en un ángulo de ataque alto, con el motor apuntando significativamente hacia arriba en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire. El componente del vector de Empuje del motor que actúa perpendicular a la trayectoria de vuelo efectivamente cuenta como parte del vector de "Elevación" en nuestro diagrama vectorial, lo que significa que el vector de Elevación real del ala debe reducirse a un valor menor que Peso * coseno (K). En un caso como este, reducir el ajuste de potencia para hacer que la trayectoria de planeo sea más empinada puede forzar a que aumente la sustentación del ala.. Por otro lado, si estamos volando nuestra aproximación con un ángulo de ataque bajo, bien en el "lado frontal" de la curva de potencia como en la práctica normal en un avión ligero, ya no es tan obvio en qué dirección se mueve el empuje. el vector apunta en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire. Dado que muchas aeronaves ligeras tienen algo de empuje hacia abajo incorporado, el vector de empuje bien puede apuntar ligeramente hacia abajo en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo, de modo que el ala debe producir más sustentación cuando se aumenta la configuración de potencia del motor. Esto magnificaría el efecto que discutimos anteriormente en esta respuesta: la tendencia del vector Ascensor a ser mayor cuando el ángulo de planeo en aire quieto es más plano, debido a la relación Ascensor = Peso * coseno (K).

Al final del día, todos estos efectos son tan pequeños que es poco probable que un piloto pueda detectar el cambio en la magnitud del vector de sustentación del ala para una velocidad aerodinámica dada en varias configuraciones de potencia y ángulos de planeo en aire quieto. Pero, en teoría, hay alguna variación en el tamaño del vector de sustentación a medida que se modifican la configuración de potencia y el ángulo de planeo con aire en calma. Y para el caso simple en el que asumimos que la línea de empuje actúa paralela al vector de arrastre, la naturaleza de la variación es tal que el vector de elevación es ligeramente mayorcuando la trayectoria de planeo con aire en calma es más plana (es decir, con configuraciones de potencia más altas, como cuando se trata de permanecer en la senda de planeo con viento en contra) que cuando la trayectoria de planeo con aire en calma es más pronunciada (es decir, con configuraciones de potencia más bajas, como cuando se intenta permanecer en la senda de planeo con viento de cola).

Vea también estas respuestas relacionadas a preguntas relacionadas:

¿Podemos mostrar a través de geometría simple en lugar de fórmulas o gráficos que la mejor relación de planeo se produce en la relación máxima de elevación a arrastre? -- una respuesta concisa con diagramas claros

¿Podemos mostrar a través de geometría simple en lugar de fórmulas o gráficos que la mejor relación de planeo se produce en la relación máxima de elevación a arrastre? -- una respuesta más larga que enfatiza muchos conceptos esenciales para la respuesta actual

¿Por qué la relación L/D es numéricamente igual a la relación de planeo? -- similar al enlace inmediatamente anterior

Potencia 'gravitacional' frente a potencia del motor : la variación en el tamaño del vector de sustentación a medida que cambia la relación de planeo en aire quieto entra en juego aquí, exactamente como lo hace en la respuesta actual

¿Levanta el mismo peso en una escalada?

R: Las sustentaciones producidas por las dos aeronaves deben ser las mismas.

Dado que las velocidades vertical y horizontal son constantes. Esto requiere que todas las aceleraciones, incluida la aceleración vertical, sean cero. Por lo tanto, la componente vertical de sustentación debe ser igual al peso. Esta afirmación se aplica por igual a ambos aviones en sus escenarios particulares.

Sin embargo, saber que la componente vertical de la sustentación es igual no significa que la sustentación total también sea igual. Un argumento es que AOA indica la relación entre el componente vertical de sustentación y la sustentación total. Dado que ambos aviones tienen trayectoria recta y la misma velocidad aerodinámica, tienen el mismo AOA. Debido a que ambos aviones tienen el mismo AOA y la misma componente vertical de sustentación, su sustentación total también es igual.

Si ambas aeronaves mantienen una velocidad de descenso constante, ambas aeronaves generarán la misma cantidad de sustentación, ya que en ambos casos el movimiento es constante, es decir, no acelera y, por lo tanto, la sustentación será igual a la gravedad. El avión que desciende con viento de cola lo hará a una mayor velocidad de descenso, debido a la mayor velocidad con respecto al suelo, y requerirá menos empuje para mantener este estado que el avión que aterriza con viento de frente o aire en calma, ya que la mayor parte de la energía potencial puede convertirse en energía cinética en el descenso que en el caso del avión que desciende con viento de frente por una senda de planeo idéntica.