¿Cómo influye la relación de aspecto del ala en la sustentación y la resistencia?

Sé que hay preguntas similares en Internet (y en este sitio web también), pero hay una cosa que simplemente no puedo comprender y ninguno de los artículos que leí podría explicarla correctamente.

Según wikipedia, el coeficiente de arrastre depende de la relación de aspecto de la siguiente manera:

C D = C D 0 + ( C L ) 2 π mi A R
Pero cuando busco por qué tiene este impacto negativo, leo cosas como "la AR alta crea vórtices más fuertes en la punta de las alas, lo que reduce la sustentación" .
Pero reducir la sustentación reduce el numerador de la expresión, por lo que de hecho debería REDUCIR la resistencia. ¿El C L de alguna manera también depende de A R ? En caso afirmativo, ¿la dependencia también es lineal o menor?

Y otra cosa que me sorprende son las declaraciones, que el ala que se extiende por todo el ancho de un túnel de viento no produce resistencia inducida, porque no tiene puntas de ala. ¿Me estás diciendo que la resistencia inducida solo es causada por las puntas de las alas? De las imágenes en ¿Cuán completa es nuestra comprensión del ascensor? uno pensaría que la resistencia es una parte natural de la sustentación y es causada por el perfil aerodinámico incluso en 2D sin considerar las puntas de las alas.

Entonces, para resumir, ¿puedes explicarme adecuadamente?

  1. ¿Cómo influye la relación de aspecto en la resistencia inducida? ¿Por qué el AR está en el denominador?
  2. ¿Cómo influye en la elevación?
  3. Lo que realmente sucede en las puntas de las alas
  4. ¿Qué sucede en el túnel de viento en un ala que se extiende por todo su ancho?
el aspecto bajo crearía vórtices más fuertes para un área de ala determinada. Hay información buena y mala aquí, pero con el tiempo se soluciona. Según tengo entendido, la resistencia inducida se produce al elevar el ángulo de ataque para crear sustentación. Esto también aumenta la resistencia, por lo que la resistencia inducida se agrega a CDo. Espero que la información aquí ayude a aclararlo.

Respuestas (2)

Tu sospecha te lleva en la dirección correcta. Mucho de lo que lee en Internet sobre la resistencia inducida es al menos engañoso, si no es que es flagrantemente erróneo. Pero lo repiten autores descuidados que no hacen las preguntas correctas.

Si ha leído cosas como " AR alto crea vórtices más fuertes en la punta de las alas, lo que reduce la sustentación ", se encuentra con una afirmación completamente incorrecta. La versión engañosa es que la AR alta crea vórtices más débiles . Para obtener una mejor explicación, consulte esta respuesta .

Ahora a tus preguntas:

  1. ¿Cómo influye la relación de aspecto en la resistencia inducida, por qué el AR está en el denominador?

La sorprendente respuesta: es la sustentación por unidad de envergadura y la inversa del cuadrado de la velocidad de vuelo lo que determina la resistencia inducida. Otra influencia es la distribución de la sustentación sobre el tramo, pero la relación de aspecto no juega ningún papel. Vea esta excelente respuesta de @DeltaLima para una explicación, o esta para una más larga.

  1. ¿Cómo influye en la elevación?

Indirectamente, aumentando la pendiente de la curva de sustentación .

  1. ¿Qué sucede realmente en las puntas de las alas?

En la parte superior, la succión gira el flujo de aire hacia adentro para que el aire tenga un componente rotacional y parte de él fluya alrededor de la punta de abajo hacia arriba. Debido a la pequeña curvatura de la punta del ala, este vórtice tiene baja presión en su núcleo (y permite que el aire se condense antes), pero en general es débil y bastante insignificante. El vórtice final real es el resultado de una acumulación de la estela, pero incluso esto no crea resistencia.

  1. ¿Qué sucede en el túnel de viento de un ala que ocupa todo su ancho?

Por favor, lea las respuestas a esta pregunta .

Tengo una pregunta complementaria. Escribiste "Una mayor envergadura permite capturar más aire para la creación de sustentación" . Lo que significa que con un AR más bajo, se "fuga" más aire en las puntas y no participa en la creación de sustentación. Pero todavía participa en la creación de arrastre, ¿por qué? Las respuestas vinculadas simplemente juegan con la transformación de la ecuación para mostrar las relaciones matemáticamente. Pero estoy buscando más una respuesta POR QUÉ la ecuación se ve como se ve. Digamos que quiero mantener igual el área total del ala. ¿Por qué el AR bajo impacta negativamente en la resistencia, por qué el aire filtrado no crea sustentación, pero aún crea resistencia inducida?
Además, cuando rompen la ecuación y muestran que la resistencia inducida de hecho depende de la envergadura, me pregunto qué sucede si aumento el área del ala en forma de cuerda. ¿Por qué el aumento del área en el sentido del tramo reduce la resistencia inducida, pero el aumento del área en el sentido de la cuerda no lo hace?
@ Youda008: No hay aire que solo cree sustentación o arrastre. Todo el aire crea una fuerza aerodinámica que, por definición, se divide en componentes de sustentación y arrastre. Un AR más bajo significa más deflexión de menos aire para la misma fuerza de sustentación, y más deflexión significa más inclinación hacia atrás de la fuerza aerodinámica. El componente de esta fuerza que mira hacia atrás (sin componentes relacionados con la fricción) es la resistencia inducida.
@ Youda008: más acorde solo significa que el mismo aire puede verse influenciado en una ruta de flujo más larga. Esto significa más sustentación, pero también más inclinación hacia atrás. Más luz puede influir en más aire que necesita menos deflexión para producir la misma sustentación. Menos desviación = menos inclinación hacia atrás = menor arrastre inducido. Si eso no ayuda, estoy fuera de mi ingenio para explicarlo.
Ohhh, ESE era el rompecabezas que faltaba. Entonces, ¿ampliar la cuerda del ala básicamente equivale a aumentar el AoA o desplegar flaps?
@ Youda008: Prefiero decir "alargar el ala en forma de cuerda", pero sí, es más o menos equivalente.

Bien, recojamos esas piezas de su mente y arreglemos esto.

CDtotal = CDo + Clcuadrado/pi xex AR

Leyendo la web de la NASA se deduce lo siguiente.

  1. CDo es el arrastre de sustentación cero, esencialmente todo excepto lo que produce sustentación. Para simplificar, solo consideran la resistencia inducida del ala, aunque la resistencia del fuselaje y la cola cambiará con AoA.

  2. El resto es resistencia inducida por el ala. La resistencia aumenta con el aumento de Cl al cuadrado, más resistencia es producto de más sustentación. La resistencia disminuye con el aumento de AR. Mira un planeador.

¿Por qué una mayor relación de aspecto hace que un ala sea más eficiente (más sustentación por unidad de empuje) para la misma área? Simplemente porque hay una "fuga" de presión al final del ala, lo que hace que produzca menos sustentación por área que el resto del ala. Cuanto menor sea la cuerda de la punta del ala en relación con el área del ala, menor será el porcentaje de esta pérdida de sustentación en relación con la sustentación total. Por lo tanto, un ala de aspecto más bajo de igual área necesita un AOA más alto para producir la misma sustentación, produciendo más resistencia (y vórtices más energéticos). El avión debe agregar más potencia para mantener la velocidad, por lo tanto, el ala de mayor aspecto es más eficiente. Así es como la relación de aspecto se relaciona con el arrastre y por qué su valor está en el denominador.

Recuerde, los vórtices son el RESULTADO de la creación de ascensores. Son literalmente una expresión de cuánta energía el ala que pasa ha impartido al aire. Ascensor es la eficiencia con la que se utilizó la energía del movimiento del aire. ¡Arrastrar = empujar!

Finalmente, un ala que abarque todo el túnel de viento sería útil para centrarse en el rendimiento de la forma del perfil aerodinámico en varios AoA y para proporcionar un punto de datos AR "infinito" para comparar con un rango de AR que se probará.

¿Cómo influye la relación de aspecto del ala en la sustentación y la resistencia?
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