¿Por qué los aviones de ala alta son más estables?

Se considera que un avión de ala alta es más estable en un deslizamiento lateral debido al efecto de péndulo. ¿Cómo aumenta el efecto del péndulo la estabilidad en los aviones de ala alta?

Esta pregunta es sobre la estabilidad del ala alta, no sobre las comparaciones entre el diseño de ala alta y baja, también en la pregunta que habla sobre los pros y los contras del diseño de ala alta y baja, en realidad no explica la estabilidad desde un punto de vista aerodinámico. vista.

esto no es un duplicado de la pregunta vinculada: allí se afirma que la estabilidad es una ventaja, pero carece de detalles que expliquen de dónde proviene la estabilidad.
Estoy con @Federico, la pregunta está relacionada, pero esto no es un engaño.
El efecto de péndulo de @PeterKämpf también se llama efecto de quilla. No sé mucho sobre esto, pero el Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge de la FAA tiene un capítulo sobre la aerodinámica del vuelo en el que explican el efecto de la quilla.
Vuelo Cessnas de ala alta y Pipers de ala baja. Considero que las alas bajas son mucho más estables en general, y los propietarios de las aeronaves están de acuerdo.
@ kepler22b: O el escritor de la FAA quiere decir algo diferente, o no tiene ni idea. Si desea saber qué es realmente ese "efecto quilla", publique una nueva pregunta e intente citar la sección del Manual. Estaré feliz de discutirlo.
Está bien. voy a hacer una pregunta diferente

Respuestas (3)

¿Son realmente?

En un avión de ala alta, el centro de sustentación está por encima del centro de gravedad. Esto no aumentará la estabilidad cuando la aeronave se incline; sin embargo, como bien dice, ayudará una vez que la aeronave esté derrapando. Para mantener el fuselaje en ángulo con respecto al flujo de aire, el ala ahora tiene que crear un componente de sustentación lateral, lo que hace al volar en ángulo con la horizontal. Este ángulo de balanceo de la aeronave desplazará el centro de gravedad hacia los lados, por lo que no estará exactamente debajo del centro de sustentación, sino desplazado lateralmente. Este desplazamiento lateral parece producir un momento de balanceo que trabaja en contra del ángulo de balanceo.

A continuación dibujé las fuerzas principales en un deslizamiento lateral. Tenga en cuenta que la aeronave tiene un componente de velocidad lateral que crea una fuerza lateral en el fuselaje y la cola (verde) que debe contrarrestarse con el componente lateral de sustentación (azul).

Short Sandringham en deslizamiento lateral

Short Sandringham en deslizamiento lateral (basado en esta fuente )

Pero aun así el peso (negro) está atacando en el centro de gravedad, por lo que no hará rodar la aeronave, y la sustentación está en el plano vertical de simetría, por lo que tampoco creará un momento de balanceo. Ergo, ¡no tenemos ningún efecto estabilizador debido a la ubicación del ala alta!

En un deslizamiento lateral de un avión de ala alta, la raíz del ala de barlovento verá un ángulo de ataque ligeramente mayor, mientras que la raíz del ala de sotavento experimentará un ángulo de ataque reducido debido al flujo cruzado alrededor del fuselaje . De hecho, esto crearía un momento de balanceo porque desplazará el centro de sustentación hacia un lado, fuera del plano de simetría. En un deslizamiento lateral estático, el piloto desviará los alerones para mantener el ángulo de balanceo, así como el timón para mantener el deslizamiento lateral, cambiando el vector de sustentación de regreso al plano vertical de simetría. ¡Ahora el piloto cancela deliberadamente cualquier efecto estabilizador de la asimetría de sustentación!

Sin embargo, esto se logra en un avión de ala baja agregando diedro. Por lo tanto, un avión de ala baja se puede hacer fácilmente tan estable como un avión de ala alta en un deslizamiento lateral.

Notarás que la fuerza aerodinámica lateral (verde) actúa sobre el centro de gravedad y también produce un momento de balanceo corrector . Esto está dictado por la ubicación de la cola vertical, que contribuye poco a la ubicación del centro de gravedad, pero produce una parte considerable de la fuerza lateral (sin embargo, reducida en el caso de deslizamiento lateral por la desviación del timón). Sin embargo, este momento de balanceo es casi independiente de la ubicación del ala. En un ala baja, el centro de gravedad será más bajo en total, especialmente cuando los motores están montados en el ala, por lo que la contribución del momento de balanceo de la cola vertical es algo mayor. El efecto es pequeño en un deslizamiento lateral ya que la desviación del timón significa que el fuselaje contribuye con la mayor parte de la fuerza lateral. Y este no es el efecto péndulosobre el que preguntaste y que no existe .

Sin embargo, en los dirigibles, el efecto de péndulo es real : dado que la flotabilidad siempre actúa en contra de la gravedad, un desplazamiento lateral de la pesada góndola creará un momento vertical, tal como lo hace en un péndulo. Al girar, la pesada góndola será empujada hacia los lados por las fuerzas centrífugas y la aeronave rodará. Dado que el giro se ordena con timón, la rotación le dará al timón un pequeño momento de morro hacia abajo, que debe compensarse con un comando de profundidad de morro arriba. El efecto de péndulo asegurará que la góndola esté en el punto más bajo en vuelo recto.

PD: Gracias a la sugerencia de @ kepler22b, ahora descubrí la página del efecto de quilla en Wikipedia. También menciona el efecto de péndulo y llama tanto al aporte del fuselaje como al efecto diedro. Hombre, si alguna vez hay una competencia por el nombre más engañoso de un efecto, esta sería la entrada ganadora.

Un péndulo es una masa montada debajo del punto de bisagra, por lo que se estabilizará en la posición hacia abajo. Un avión que vuela no tiene bisagras , por lo que todo el movimiento tiene lugar alrededor del centro de gravedad. Simplemente no hay efecto de péndulo en los aviones.

Buena respuesta, pero tengo una pregunta. Si miro su imagen e imagino esta situación para un ala baja, dará como resultado la misma fuerza lateral y la misma sustentación, pero luego en una ubicación más baja. Como tal, tanto el componente lateral de Lift como Sideforce generarán un momento en el sentido de las agujas del reloj. En el caso del ala alta, estos se cancelan entre sí, en el caso del ala baja, se sumarán. ¿No es esta una diferencia entre el ala alta y baja?
@ROIMaison: El centro de presión lateral no está donde está el ala, sino que está determinado por el fuselaje y la cola vertical. En el ejemplo, está muy cerca de la altura del ala (después de todo, la cola vertical apunta hacia arriba), pero eso no cambiará con una ubicación del ala baja. Sí, produce un momento de balanceo, como se explica en esta respuesta .
@ROIMaison: el piloto se asegurará de que el vector de sustentación permanezca en el plano vertical de simetría (al desviar los alerones), por lo que, independientemente de la posición del ala, no hay un momento de balanceo del vector de sustentación .
¿Qué sucede si elijo usar solo el timón para realizar un giro y no los alerones? Su respuesta no parece abordar este aspecto de la estabilidad.
@JonathanWalters ... porque tanto la pregunta como mi respuesta se refieren a deslizarse lateralmente, no girar. Siéntase libre de preguntar, y también escribiré una respuesta sobre ese aspecto. Pista: mucho depende de la C yo β del diseño particular.
Me parece bien. La pregunta menciona específicamente el resbalón, pero la pregunta más amplia se refiere tanto a los resbalones como a los derrapes. Sospecho que si hiciera esa pregunta, se cerraría como un súper de este.
@JonathanWalters: Acabo de hacer una búsqueda rápida sobre "Cómo girar sin alerón". Los tres resultados estaban muy lejos. Supongo que esta pregunta sería genuinamente nueva y debería enriquecer este sitio. Tenga en cuenta que tenemos un par de preguntas sobre el control de la aeronave después de fallas, pero si pregunta por la física y las consecuencias no deseadas de los giros de timón, la pregunta no debe marcarse como duplicada.
Entonces, ¿significa esto que una góndola tiene bisagras porque tiene un efecto de péndulo?
@RyanMortensen: ¡Explique por qué una góndola tiene un efecto de péndulo! ¿Y qué góndola? ¿La góndola motora de un dirigible? Este tiene un efecto de péndulo, pero no es articulado. ¿ Un barco veneciano ? Tampoco tiene bisagras, y está estabilizado por el centro de gravedad debajo del metacentro. Tampoco hay efecto de péndulo.
@PeterKämpf gracias! Estaba pensando que un efecto de péndulo solo era posible con bisagras. ¿Un avión no tendría un efecto de péndulo incluso si bajara el CG a un extremo ridículo y lo pusiera en un alabeo mucho más pronunciado que el que se muestra en su diagrama?
@RyanMortensen No mientras el giro esté coordinado. Luego, el vínculo con el peso apuntará directamente contra la fuerza de sustentación, por lo que no se crea ningún momento. Una vez que pones el peso en un desplazamiento lateral, entonces sí, entonces tienes un momento. Esto se usa en alas delta para controlar el cambio de peso. Las alas delta deben ser las más cercanas a la configuración que propongas, y el piloto será el peso.
@RyanMortensen: El supuesto efecto de péndulo exige que todo el avión actúe como un péndulo y esté articulado en el centro del ala. Esto es claramente una falacia lógica. Parece pensar que requiere un peso que pueda girar alrededor de una bisagra, un péndulo real, como parte del avión. Eso no es lo que piensan los creyentes en el mito del efecto del péndulo.
@PeterKämpf ¿no es lo que piensan? Si el mito del efecto del péndulo no se trata de un punto articulado, entonces, ¿qué es lo que la gente piensa que está sucediendo? PD Creo que lo entiendo ahora. ¿Están mirando el CG como la bisagra y el ascensor como el "peso" que es una especie de péndulo al revés?
@RyanMortensen: Es aún peor: según tengo entendido, creen que la raíz del ala es la bisagra. El peso es el centro de gravedad, y si está debajo del ala, se supone que estabiliza la aeronave y la saca del ángulo de balanceo.
@PeterKämpf quizás otra forma de tratar de explicar esto (o hacer que haga clic para algunas personas) es decir que el CG es un punto de bisagra y que el CG también es el peso del péndulo , pero están ubicados en el mismo lugar, por lo tanto, el el brazo es cero y el momento es por lo tanto, también cero sin importar cuál sea la magnitud del peso o dónde se encuentre el CG.
@RyanMortensen: Sí, tienes razón. Pero tales memes son difíciles de matar. Solo piense en el meme "los vórtices de punta causan arrastre inducido". Como decir que las calles mojadas provocan lluvia. La explicación más correcta sería: el avión de vuelo libre no tiene bisagras en absoluto, y todas las rotaciones ocurren alrededor del cg. Luego, su punto de ubicación conjunta se activa.
@ROIMaison, si lo desea, eche un vistazo a mi respuesta, que trata de explicarlo de manera simple
@ PeterKämpf Considere el "efecto péndulo" Aviation.stackexchange.com/questions/53437/…
Para agregar otra voz a la refriega, Peter tiene toda la razón. El efecto del péndulo es ficticio. De hecho, el "peso" también es ficticio, como le dirá cualquiera que esté familiarizado con la teoría general de Einstein. La fuerza de "Gravedad" es solo una abstracción ficticia debido a que estamos haciendo nuestro análisis en un marco de referencia acelerado (la tierra). Exactamente lo mismo que si estuviéramos examinando el vuelo de un avión en una caja gigante llena de aire en el espacio exterior, que aceleraba hacia arriba a 1 "G", desde un cohete gigante en la parte inferior.

Para tener un sentido simple al respecto, podemos considerar que cuando un avión de ala alta se desliza lateralmente hacia la derecha como se muestra en la figura, hay una región de alta presión cerca del fuselaje debajo del ala derecha (ala de barlovento, la dirección desde la cual sopla el viento). viene) y una región de baja presión en el otro lado.

Estabilidad de ala alta

Esto aumentará la sustentación del ala derecha y reducirá la sustentación del ala izquierda, por lo que se producirá un momento que intentará hacer retroceder la aeronave hacia la posición normal.

Me recuerda a esta pregunta, donde las bolsas de aire serían creadas por las puertas de un avión pequeño.
Tienes razón, un ala alta aporta cierto efecto diedro. Pero eso no es estabilidad direccional en sí mismo: agregue más diedro en aviones de ala baja y ambos salen igual.

Me encantan los diagramas. ¿Un paracaídas tampoco tiene estabilidad pendular?

Intenta construir planeadores desde cero. ¡Lo que puedes aprender del papel, el pegamento y la balsa es increíble!

Sí, un ala alta tiene estabilidad de péndulo, ¡al igual que las ALA DELTA! De hecho, el ajuste del ala delta al cambio de peso (péndulo) ELIMINA la necesidad de superficies de control.

¡El efecto de péndulo no se puede describir aerodinámicamente porque NO es una fuerza aerodinámica! Esta es una lección difícil de aprender para las personas que intentan "recortar" un CG que está demasiado atrás.

En la construcción de planeadores desde cero, uno aprende a velocidades más altas, las fuerzas aerodinámicas gobiernan, pero a medida que uno reduce la velocidad, la distribución del peso influye cada vez más. Una aeronave, EN VUELO RECTO Y NIVELADO, el CG siempre intentará estar directamente debajo de CL.

En el hidroavión, dividir los componentes del elevador en vertical y horizontal puede ayudar a aclarar el punto. Para que funcione el "efecto de péndulo", el peso debajo del centro de sustentación (como el tren de aterrizaje) se desplaza de estar directamente debajo del centro de sustentación. A medida que el avión rueda, el centro de sustentación en relación con el CG puede cambiar. Más fácil de ver en un ala delta o dirigible, pero aún presente en un avión de ala alta.

Los ala delta solo cambian su ala en relación con su centro de gravedad. Ver aquí para más.
@Peter Kampf Creo que esta discusión se ha resuelto para casos giratorios y no giratorios. En el caso de que no gire, CUALQUIER desplazamiento del CG directamente debajo de Clift dará como resultado un momento de balanceo para restaurar la alineación de sustentación y peso en el campo gravitatorio (definiendo "ascensor" como todas las fuerzas hacia arriba, incluida la flotabilidad). Los casos giratorios son, de hecho, otra historia digna de un examen y reflexión minuciosos.
@Peter Kampf después de estudiar muchos de los hermosos diseños de planeadores de ala media de la década de 1930 (que también incluían carenados que reducen la resistencia), puedo ver cómo toda una generación de personas creció con la teoría del centro de gravedad, de hecho, ese fue un BUEN lugar para poner el ala para control de balanceo ligero y receptivo también necesario en aviones gigantes. Pero, ¡ay!, el ala, el globo, el paracaídas, el ala delta o una cuerda lo sostienen contra la gravedad. Esa es la realidad.
¿Por qué los aviones de ala alta son más estables?
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