¿Levanta el mismo peso en una escalada?

Depende exactamente de cómo defina "levantamiento" y "peso". Podría decir intuitivamente que la sustentación son todas las fuerzas que actúan sobre la aeronave en dirección ascendente, así:

En este caso, la sustentación debe ser igual al peso, de lo contrario, la aeronave estaría acelerando. Es decir, su tasa de ascenso estaría cambiando.

Pero es más habitual definir ascensor de esta manera:

Aquí, la sustentación y el peso son iguales en magnitud, pero en diferentes direcciones. Por supuesto, la sustentación no necesita ser igual en magnitud: se puede ajustar por el ángulo de ataque. Pero supongamos que la elevación es igual al peso y veamos qué sucede.

Hagamos todos nuestros cálculos con la Tierra como marco de referencia ¹ . Es útil descomponer la sustentación en una suma de componentes verticales y horizontales para que podamos analizar las fuerzas horizontales y las fuerzas verticales por separado:

Comparando la componente vertical de sustentación con el peso, podemos ver que no son iguales:

Considerando solo las fuerzas verticales dibujadas aquí, hay una fuerza descendente neta sobre el avión. Entonces, ¿por qué entonces la velocidad de ascenso no disminuye?

Una transformación similar ocurre con el empuje. En un ascenso, el empuje proporciona un componente ascendente adicional. Y, por supuesto, también debemos considerar el arrastre. Al estar el punto en un ascenso constante, la sustentación (según la definición convencional) no es igual al peso, pero la suma de todos los componentes verticales de sustentación, empuje y arrastre dan el mismo peso.

Agreguemos una cantidad arbitraria de arrastre y suficiente empuje para equilibrar las fuerzas verticales.

Ahora las fuerzas verticales están equilibradas, pero las fuerzas horizontales también deben estar equilibradas si queremos un vuelo estable. Sumando todas las fuerzas horizontales en mi dibujo, hay una fuerza neta a la izquierda. Así que este avión puede estar manteniendo un ritmo constante de ascenso en este instante, pero está perdiendo velocidad y probablemente se dirige a una pérdida.

Recuerde, inicialmente establecimos elevación igual en magnitud al peso, y esto es lo que sucede. Sin cambiar la dirección o la magnitud de la sustentación, no existe una solución que resulte en un vuelo estable.

Por lo tanto, un avión que sube requiere menos sustentación . Para mantener esta dirección y velocidad, este piloto debe reducir la sustentación reduciendo el ángulo de ataque y aumentar el empuje de modo que los vectores sumen cero y no haya fuerza neta sobre la aeronave. Reducir la sustentación también reducirá la resistencia.

¹ Cualquier otro marco de referencia podría funcionar. Por ejemplo, podríamos usar el avión como marco de referencia, lo que significaría que la sustentación siempre está arriba, pero el peso cambiaría de dirección.

En un avión que sube a una velocidad vertical constante, el total de las fuerzas verticales dirigidas hacia arriba es igual al total de las fuerzas verticales dirigidas hacia abajo.

Si no fuera así, la velocidad vertical no sería constante, ya que cualquier equilibrio distinto de cero de las fuerzas verticales daría como resultado una aceleración...

Respuesta corta: no.

Respuesta larga: cuando la trayectoria de vuelo no es horizontal, la sustentación no será vertical sino perpendicular a la dirección del movimiento (en aire en calma). El empuje también tendrá una componente vertical y es diferente en magnitud a la resistencia, porque se necesita un exceso de empuje para aumentar la energía potencial del avión. Tenga en cuenta que la componente vertical de la sustentación es proporcional al coseno del ángulo de la trayectoria de vuelo, mientras que la componente vertical del empuje es proporcional al seno del ángulo de la trayectoria de vuelo, por lo que la parte de empuje crece más rápidamente en ángulos de trayectoria de vuelo pequeños. Por lo tanto, al escalar, el empuje agregará un componente vertical, por lo que se necesita menos sustentación .

Nuevamente, en un descenso se necesita menos sustentación. Ahora el empuje es menor que la resistencia, y la resistencia, apuntando ligeramente hacia arriba, contribuye con un componente vertical que contrarresta el peso. Entonces, en ambos casos, la elevación es más pequeña que el peso.

Hasta ahora, este ha sido un vuelo sin aceleración. Pero normalmente una subida tiene componentes de aceleración:

• para ajustar la velocidad al cambio de densidad (acelerada para permanecer en la misma velocidad aérea indicada) o número de Mach (desacelerada para permanecer en el mismo número de Mach), y

• porque la aeronave pierde velocidad vertical a medida que el empuje disminuye por el cambio de densidad y, en el caso de aeronaves de hélice y turboventiladores, por el aumento de la velocidad aerodinámica real.

Este segundo efecto, ciertamente pequeño, agregará una fuerza de inercia vertical que se suma a las fuerzas verticales restantes, a saber, sustentación y empuje. Cuando se considera esta fuerza de inercia, las fuerzas verticales restantes son un poquito más bajas que el peso.

Si definimos la sustentación como el componente de las fuerzas aerodinámicas totales en la aeronave que es perpendicular a su dirección de movimiento, entonces la sustentación será ligeramente menor en un ascenso estable.

Probablemente sea más fácil analizar la situación en un sistema de coordenadas que está inclinado de tal manera que uno de los ejes es paralelo a la dirección del movimiento. Luego, todas las fuerzas (levantamiento, arrastre, empuje) funcionan como en un sistema de coordenadas ordinario en vuelo horizontal. La única diferencia es que la fuerza del peso ahora tiene una dirección diferente, pero sigue siendo de la misma magnitud .

Esto significa que el componente de peso que es perpendicular al movimiento ahora es un poco más pequeño, y la sustentación también debe ser correspondientemente más pequeña. El ángulo de ataque del avión será ligeramente menor que en un vuelo nivelado a la misma velocidad aerodinámica (calibrada).

Por otro lado, el vector de peso ahora gana un componente significativo paralelo a la dirección del movimiento , y esto tiene que ser contrarrestado con más empuje, para que la aeronave no disminuya su velocidad. (Esto dominará mucho sobre la pequeña disminución en la resistencia inducida que resulta de la elevación ligeramente más pequeña).

TL; DNR

¿Levanta el mismo peso en un ascenso en estado estacionario? La fuerza vertical es mayor en un ascenso en estado estable, pero la sustentación puede inclinarse dependiendo de cómo se ejecute el ascenso, esa es la respuesta. Incline el eje de la aeronave en relación con los ejes de la tierra y, por definición, parte del vector de gravedad ahora se encuentra en el eje de empuje/resistencia del avión. Eso está muy claro, y el caso al que todos se refieren en sus respuestas con gran detalle. Sin embargo, también se puede ejecutar un ascenso en estado estable con el morro apuntando directamente hacia adelante, y luego la sustentación es mayor que el peso. Y los helicópteros también son aviones...

respuesta completa

Depende de la orientación relativa del eje.

• La gravedad siempre está alineada con los ejes de la tierra.
• Para aeronaves de ala fija, la sustentación y la resistencia se alinean con los ejes del flujo de aire (alineados con el flujo de aire en una posición inicial de estado estable). Tenga en cuenta que el empuje solo está alineado con la resistencia en AoA cero.

La cuestión es que para los aviones de ala fija, un ascenso de estado constante se asocia principalmente y automáticamente con un AoA creciente, lo que inclina los ejes del avión hacia arriba, lo que resulta en una inclinación hacia arriba de los ejes del flujo de aire. Pero los aviones de ala fija también pueden ascender aumentando la velocidad, lo que da como resultado un ascenso constante con un AoA reducido .

A continuación, se incluye un análisis de los dos casos de ascenso de ala fija y de helicópteros en los que los ejes del flujo de aire giran con las palas, proporcionando sustentación, no empuje.

TL; DNR

• Ascenso fijo del ala aumentando AoA: módulo del vector de sustentación <vector de gravedad
• Ascenso de ala fijo al aumentar la velocidad: mod lift> mod g
• Helicóptero en ascenso constante: mod lift >> mod g

• Levante L en ángulo$\alpha$
• Arrastre D en ángulo$\alpha$
• Empuje T en ángulo$\phi$
• Peso W en la vertical

Equilibrio de fuerzas en vuelo no acelerado:

La ecuación (V) establece que la fuerza vertical total hacia arriba es igual al peso más un componente de resistencia aerodinámica: de toda la aeronave, ala + fuselaje + cola, etc. Por lo tanto, la fuerza total hacia arriba siempre será mayor que el peso, a menos que$\alpha$= 0

Veamos un par de casos.

1. Ascenso por aumento de velocidad, ala fija

Un caso señalado hace algún tiempo por Chris , quien definió fuerzas de empuje y sustentación totalmente desacopladas poniendo un ala en un poste montado en un vagón de tren. Si aumenta el empuje, la velocidad aumentará y el ala ascenderá con una velocidad constante$V_z$. Esto cambiará el ángulo de ataque e inclinará el vector de sustentación hacia atrás. El ala sube con velocidad constante una vez que la fuerza vertical ascendente total es idéntica al peso, más el componente vertical de arrastre que apunta hacia abajo.

Tenga en cuenta que el empuje no se ve por ninguna parte en esta imagen, solo las fuerzas aerodinámicas. El empuje se establece en ángulo$\phi$= 0 y será igual a L * sin($\alpha$) + D * porque ($\alpha$). El ascensor L está inclinado hacia atrás en un ángulo$\alpha$, y es mayor que la fuerza vertical hacia arriba por el factor$1/cos (\alpha)$.

Entonces, en este caso (ascenso por aumento de velocidad):

• La fuerza ascendente total es mayor que el peso en una cantidad de D * sen$\alpha$.
• La elevación es el único factor que contribuye a la fuerza ascendente, se inclina hacia atrás y es mayor que la fuerza vertical ascendente total.

2. Ascenso por cabeceo de la aeronave, ala fija

Ahora echemos un vistazo más de cerca al caso de un avión de ala fija que sube debido a un aumento en el ángulo de cabeceo. Se deben considerar todas las fuerzas anteriores y ambas ecuaciones (H) y (V). Ángulo de ataque$\alpha$se define por el ángulo de inclinación$\phi$, velocidad aerodinámica V y velocidad de ascenso$\dot{z}$.

Así que en este caso:

• La fuerza total hacia arriba es nuevamente mayor que el peso en una cantidad de D * sin($\alpha$)
• Tanto el empuje T como la sustentación L contribuyen a la fuerza ascendente total. La contribución de cada uno depende del ángulo de inclinación$\phi$y velocidad de subida$\dot{z}$. Más ejes inclinados significa: menor proporción de Ascensor, mayor proporción de Empuje.

3. Helicóptero en ascenso vertical

Ahora para el helicóptero en ascenso. A primera vista, este es un caso en el que solo el empuje es responsable de la acción de ascenso, porque el disco del rotor proporciona un empuje vertical hacia abajo. Pero aquí está la cosa: eso es desde la perspectiva del fuselaje, pero ahora la sustentación se define en relación con la velocidad aerodinámica de la pala giratoria.

Nuestro marco de referencia vuelve a ser los ejes de tierra. El helicóptero que sube verticalmente tiene la misma fuerza aerodinámica hacia abajo que el helicóptero flotante, más aumentos menores debido al arrastre vertical del fuselaje. El piloto hizo la transición del helicóptero de vuelo estacionario a ascenso tirando del colectivo, aumentando el paso de las palas e inclinando el vector de sustentación hacia atrás (ejes de tierra).

La componente vertical de sustentación es igual al peso más la componente vertical hacia abajo de (arrastre de pala + arrastre de fuselaje vertical). La sustentación es mayor que su componente vertical por un factor de 1/cos$\phi$.

Entonces, en este caso (ascenso por aumento de tono):

• La fuerza vertical hacia arriba total es mayor que el peso en una cantidad de (D * sin($\alpha$) + arrastre vertical del fuselaje).
• La sustentación es el único contribuyente a la fuerza vertical hacia arriba y se inclina hacia atrás, por lo que la sustentación es mayor que la fuerza vertical total por el factor 1/cos($\alpha$).

Conclusión

El caso 2 se considera varias veces en este sitio. La sustentación aerodinámica puede ser menor que el peso, dependiendo de los ángulos y velocidades relevantes. El empuje siempre debe ser mayor que en un vuelo horizontal constante en una cantidad de L * sin($\alpha$).

Todos los casos tienen una fuerza vertical hacia arriba mayor que el peso: se debe compensar un componente de resistencia aerodinámica vertical. Intuitivamente claro a partir de este ejemplo .

Se acepta la respuesta de @xxaviers. Muchas otras respuestas también son correctas para un ascenso de ala fija en estado estable debido a la inclinación de los ejes de la aeronave en relación con la gravedad.

El título de la pregunta es diferente del cuerpo de la pregunta.

En el cuerpo de la pregunta leemos-

Mi pregunta es puramente sobre la suma de todas las fuerzas verticales.

Obviamente, para que la aceleración sea cero, la fuerza neta debe ser cero, por lo que la fuerza aerodinámica vertical neta debe ser igual al peso. (En esta respuesta, consideraremos que el vector de empuje es una fuerza aerodinámica).

en un ascenso constante, ¿es la fuerza vertical ascendente total de todas las fuentes (ala, cola, motores, fuselaje) mayor o igual que el peso de la aeronave?

En un ascenso constante, la fuerza vertical neta debe ser cero, por lo que la fuerza aerodinámica vertical neta debe ser igual al peso. Sin embargo, esto no significa que la suma de todas las fuerzas verticales hacia arriba sea igual al peso. No lo es, porque una de las fuerzas aerodinámicas, el vector de arrastre, tiene un componente descendente en un ascenso. Por lo tanto, la suma de todas las fuerzas verticales ascendentes debe ser igual al peso más la componente vertical descendente del vector de arrastre .

El título de la pregunta, por otro lado, dice:

¿Levanta el mismo peso en una escalada?

Esta es una pregunta claramente diferente, y una pregunta más interesante, que una pregunta sobre la fuerza vertical neta .

En el contexto del vuelo de ala fija, la sustentación se define para actuar en forma perpendicular a la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire, y la resistencia se define para actuar en forma paralela a la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire. A los efectos de la respuesta, supondremos que Thrust actúa en paralelo a la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire, aunque claramente esto no siempre es exactamente cierto. Esta suposición simplificadora conduce al siguiente diagrama vectorial:

Ascenso motorizado en ángulos de ascenso de 45 y 90 grados:

En los diagramas vectoriales anteriores, el "ángulo c" es el ángulo de ascenso: es de 45 grados en la figura de la izquierda y de 90 grados en la figura de la derecha.

Podemos ver que en un ascenso motorizado, Ascensor = Peso * coseno (ángulo de ascenso), donde el ángulo de ascenso se mide en relación con la masa de aire (una distinción importante en el caso del vuelo sin motor: un ascenso sin motor en una corriente térmica ascendente sigue siendo un descenso en relación con la masa de aire!)

Claramente, la sustentación es menor que el peso en un ascenso motorizado. Por ejemplo, si el ángulo de ascenso es de 45 grados, Ascensor = 0,707 * Peso. Si el ángulo de ascenso es de 90 grados, la sustentación debe ser cero.

Lo mismo también es cierto en un descenso: Ascensor = Peso * coseno (ángulo de descenso), por lo que Ascensor es menor que Peso. Esto se explora con más detalle en algunos de los enlaces que se proporcionan al final de esta respuesta.

Tenga en cuenta que hemos adoptado el enfoque de combinar los vectores Empuje y Arrastre en un solo vector (Empuje-Arrastre), y luego organizamos este vector en un triángulo vectorial cerrado con Elevación y Peso. Siempre que los vectores se pueden organizar de punta a cola en un polígono cerrado (un triángulo en este caso), esto muestra que la fuerza neta debe ser cero, lo que significa que la aceleración es cero y la velocidad es constante. Para mayor claridad, también hemos dibujado los vectores individuales de empuje y arrastre fuera del triángulo vectorial. Estos son redundantes con el vector (Empuje-Arrastre).

Variando el ángulo de ascenso y/o la relación L/D:

Tenga en cuenta que para una aeronave dada en una configuración dada, cualquier ángulo de ataque dado está asociado con valores específicos para el coeficiente de sustentación, el coeficiente de arrastre y la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre. La sustentación es proporcional al coeficiente de sustentación * velocidad aerodinámica al cuadrado, y la resistencia es proporcional al coeficiente de resistencia aerodinámica * velocidad aerodinámica al cuadrado, por lo que la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de resistencia es también la relación de sustentación / resistencia aerodinámica. Entonces, para un avión dado en una configuración dada, cualquier ángulo de ataque dado está asociado con una relación específica de Elevación a Arrastre.

Si el diagrama de la izquierda arriba y el diagrama del medio arriba representan la misma aeronave en la misma configuración, entonces la aeronave debe estar volando un poco más lento en el diagrama del medio. Esa es la única forma en que los valores L y D pueden ser ligeramente más pequeños, para la misma relación L/D. Agregar potencia para aumentar el ángulo de ascenso, mientras se mantiene constante el ángulo de ataque, hace que la velocidad aerodinámica disminuya ligeramente. Sin embargo, en el caso ilustrado aquí, el cambio en la velocidad del aire sería demasiado pequeño para notarlo en la práctica; sería igual a la raíz cuadrada del cambio en el valor de la magnitud del vector de sustentación o del vector de arrastre.

Si todos los diagramas representan la misma aeronave en la misma configuración de flaps, etc., entonces el diagrama de la derecha (relación L/D 5:1) representaría un ángulo de ataque más bajo que los diagramas de la izquierda o del medio (10 :1 relación L/D). (Ignoraremos la otra posibilidad de que el caso 5:1 represente un vuelo mushing muy cerca de la pérdida, donde la resistencia es muy alta). Un ángulo de ataque más bajo significa un coeficiente de sustentación más bajo, pero el tamaño del vector de sustentación es el mismo, por lo que la velocidad del aire debe ser mayor en el caso ilustrado en el diagrama de la derecha. Por lo tanto, la tasa de ascenso también es mayor. En resumen, cuando aumentamos el empuje para aumentar nuestra velocidad de ascenso, también debemos reducir el ángulo de ataque, si por alguna razón deseamos mantener constante nuestro ángulo de ascenso en lugar de permitir que aumente.

Ascenso motorizado en un ángulo de ascenso de 45 grados en 8 proporciones diferentes de elevación a arrastre:

Tenga en cuenta que a medida que disminuimos nuestra relación L/D, se necesita más y más empuje para mantener el mismo ángulo de ascenso de 45 grados. En el caso de que la relación L/D sea 2/1, ¡el empuje debe ser mayor que el peso! Esto es un poco contrario a la intuición, ya que obviamente podríamos subir en línea recta con una velocidad aerodinámica pequeña pero distinta de cero si el empuje fuera solo un poco mayor que el peso. Sin embargo, ese ascenso vertical se realizaría a una velocidad aerodinámica muy baja. En el diagrama anterior, si todos los casos representan la misma aeronave en la misma configuración, al restringir el ángulo de ascenso para que sea constante, de modo que L también debe permanecer constante, estamos restringiendo la velocidad aerodinámica para que aumente progresivamente a medida que reducimos el ángulo de ataque, coeficiente de sustentación y relación L/D. De ahí el gran aumento en la resistencia y el empuje requeridos, a medida que reducimos el ángulo de ataque, el coeficiente de sustentación,

A medida que exploramos ángulos de ascenso cada vez más cercanos a los 90 grados, la relación L/D tiene cada vez menos influencia en el empuje requerido. Una figura similar a la anterior, pero para un ángulo de ascenso de 60 o 70 grados, mostraría un menor aumento en el empuje requerido a medida que disminuimos el ángulo de ataque, el coeficiente de sustentación y la relación L/D de lo que vemos en un ángulo de ascenso de 45 grados. Esto también implica que estamos forzando un aumento menor en la velocidad aerodinámica a medida que disminuimos el ángulo de ataque, el coeficiente de sustentación y la relación L/D en tal caso. Eso tiene sentido: a medida que el empuje soporta más y más peso del avión, la dinámica del ala tiene cada vez menos influencia sobre la velocidad aerodinámica. En el caso de un ascenso verdaderamente vertical, el ala debe estar en el ángulo de ataque de elevación cero y la relación L/D debe ser cero. En tal caso, por supuesto, la fuerza de arrastre todavía varía con la velocidad del aire,

En aras de la claridad, esta respuesta se ha centrado en algunos ángulos de ascenso bastante pronunciados. También es importante tener en cuenta que para ángulos de ascenso (o descenso) poco profundos que son típicos de las aeronaves ligeras de la aviación general, el coseno del ángulo de ascenso no es mucho menor que 1, por lo que la sustentación es casi igual al peso (específicamente, La sustentación es solo un poco menor que el peso). Dado que el peso no varía con el ángulo de ascenso o picado, podemos concluir que para ángulos de ascenso o picado poco profundos, sin otras aceleraciones (específicamente, la trayectoria de vuelo no se curva hacia arriba o hacia abajo, y las alas no están inclinadas, por lo que la ruta de vuelo no se curva para describir un giro). La sustentación también es casi constante, independientemente de si la aeronave está ascendiendo, descendiendo o ninguna. Esto significa que si el ángulo de ascenso o descenso es poco profundo y la carga G neta es uno, el indicador de velocidad aerodinámica también se puede interpretar como un indicador de ángulo de ataque. ¿Por qué esto es así? Para mantener la sustentación casi constante, debe ser aproximadamente cierto que el coeficiente de sustentación varía en proporción inversa al cuadrado de la velocidad aerodinámica. Esto establece una relación casi fija entre la velocidad aerodinámica y el ángulo de ataque, para ángulos de ascenso o descenso poco profundos y cargas G netas cercanas a uno. Si la velocidad aerodinámica es baja, el coeficiente de sustentación y el ángulo de ataque deben ser altos, y si la velocidad aerodinámica es alta, el coeficiente de sustentación y el ángulo de ataque deben ser bajos, independientemente de si la aeronave asciende en un ángulo poco profundo. , descendiendo en un ángulo poco profundo o volando horizontalmente. Entonces, el indicador de velocidad aerodinámica es, en esencia, un indicador de ángulo de ataque en ángulos de ascenso o descenso poco profundos. En ángulos de ascenso muy empinados donde la sustentación es un poco menor que el peso, las cosas se complican más: un ángulo de ataque dado se asociará con una velocidad aerodinámica más baja que en un vuelo horizontal, y una velocidad aerodinámica determinada se asociará con una velocidad aerodinámica más baja. ángulo de ataque que en vuelo horizontal. En el caso más extremo en el que la aeronave asciende en línea recta, la sustentación debe ser cero, por lo que el coeficiente de sustentación debe ser cero y el ángulo de ataque debe ser casi cero (de hecho, debe ser ligeramente negativo, a menos que el perfil aerodinámico esté completamente cerrado). simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. En ángulos de ascenso muy empinados donde la sustentación es un poco menor que el peso, las cosas se complican más: un ángulo de ataque dado se asociará con una velocidad aerodinámica más baja que en un vuelo horizontal, y una velocidad aerodinámica determinada se asociará con una velocidad aerodinámica más baja. ángulo de ataque que en vuelo horizontal. En el caso más extremo en el que la aeronave asciende en línea recta, la sustentación debe ser cero, por lo que el coeficiente de sustentación debe ser cero y el ángulo de ataque debe ser casi cero (de hecho, debe ser ligeramente negativo, a menos que el perfil aerodinámico esté completamente cerrado). simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. En ángulos de ascenso muy empinados donde la sustentación es un poco menor que el peso, las cosas se complican más: un ángulo de ataque dado se asociará con una velocidad aerodinámica más baja que en un vuelo horizontal, y una velocidad aerodinámica determinada se asociará con una velocidad aerodinámica más baja. ángulo de ataque que en vuelo horizontal. En el caso más extremo en el que la aeronave asciende en línea recta, la sustentación debe ser cero, por lo que el coeficiente de sustentación debe ser cero y el ángulo de ataque debe ser casi cero (de hecho, debe ser ligeramente negativo, a menos que el perfil aerodinámico esté completamente cerrado). simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. y una velocidad aerodinámica dada estará asociada con un ángulo de ataque más bajo que en vuelo horizontal. En el caso más extremo en el que la aeronave asciende en línea recta, la sustentación debe ser cero, por lo que el coeficiente de sustentación debe ser cero y el ángulo de ataque debe ser casi cero (de hecho, debe ser ligeramente negativo, a menos que el perfil aerodinámico esté completamente cerrado). simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. y una velocidad aerodinámica dada estará asociada con un ángulo de ataque más bajo que en vuelo horizontal. En el caso más extremo en el que la aeronave asciende en línea recta, la sustentación debe ser cero, por lo que el coeficiente de sustentación debe ser cero y el ángulo de ataque debe ser casi cero (de hecho, debe ser ligeramente negativo, a menos que el perfil aerodinámico esté completamente cerrado). simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. a menos que el perfil aerodinámico sea completamente simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación. a menos que el perfil aerodinámico sea completamente simétrico), sin importar lo que lea el indicador de velocidad aerodinámica. Claramente, el indicador de velocidad aerodinámica no puede cumplir una "doble función" como guía para el ángulo de ataque en tal situación.

También asumimos a lo largo de esta respuesta que el vector de empuje actúa paralelo a la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire. Obviamente, si esto no es cierto, entonces la ecuación elevación = peso * coseno (ángulo de ascenso) tampoco es cierta. Para tomar un caso extremo, tenga en cuenta que cuando las boquillas de escape de un "jump jet" Harrier apuntan directamente hacia abajo, el ala está "descargada": el avión puede flotar a velocidad aerodinámica cero con elevación cero, apoyado completamente por empuje. Por el contrario, durante el lanzamiento del cabrestante de un planeador, el cable de remolque tira fuertemente hacia abajo del planeador. Esto también puede verse como una forma de "empuje vectorial", pero ahora la carga en el ala aumenta, en lugar de disminuir, por lo que las alas deben generar una fuerza de sustentación que es mucho mayor que el peso de la aeronave. En cualquier caso, es

Para ver un diagrama vectorial de las fuerzas en un vuelo ascendente desde una fuente de referencia externa, vea el diagrama a continuación. Este diagrama muestra las mismas relaciones que los otros diagramas incluidos en esta respuesta, pero las fuerzas no se han organizado en un polígono vectorial cerrado, por lo que es menos obvio que la fuerza neta es cero.

Arriba hay un diagrama vectorial que muestra las fuerzas en un ascenso estabilizado, lineal y de velocidad constante -- de https://systemdesign.ch/wiki/L%C3%B6sung_zu_Steigflug

FS = empuje

FW = arrastre

FGp es el componente de peso que actúa paralelo a la trayectoria de vuelo, y TAMBIÉN es exactamente igual en magnitud y opuesto en dirección a (empuje - arrastre)

FGs es el componente de peso que actúa perpendicularmente a la trayectoria de vuelo, y TAMBIÉN es exactamente igual en magnitud y opuesto en dirección a la sustentación.

FA = ascensor

FG = peso

El ángulo beta es el ángulo de ascenso, el ángulo entre la trayectoria de vuelo y el horizonte.

Apéndice:

Otra respuesta a la presente pregunta aborda un caso de " ascenso aumentando la velocidad aerodinámica ", que también se caracteriza por una actitud de cabeceo completamente fija . Quizás una mejor descripción de este caso es " entrar en una escalada sin cabecear en absoluto ". Esto introduce un componente de empuje hacia abajo en relación con la trayectoria de vuelo. Este empuje hacia abajo es la causa raíz del aumento en el vector de sustentación por encima y más allá del valor "estándar" de peso * coseno (ángulo de ascenso).

La presente respuesta supone que no hay empuje hacia abajo ni hacia arriba. Si hay empuje hacia abajo o hacia arriba, la ecuación completa para la magnitud del vector de sustentación es peso * coseno (ángulo de ascenso) + empuje * seno (ángulo de empuje hacia abajo), donde el ángulo de empuje hacia abajo se mide en relación con la trayectoria de vuelo, no con el horizonte. Trate el empuje hacia arriba como un empuje hacia abajo negativo.

Cuando comenzamos en un crucero nivelado sin empuje hacia abajo, y luego entramos en un ascenso sin cabeceo hacia arriba en absoluto , el ángulo de empuje hacia abajo ahora es tan grande que la sustentación es de hecho mayor que el peso. El ángulo de ascenso y el ángulo de empuje hacia abajo son los mismos en esta situación. Tenga en cuenta que a medida que aumentamos el empuje y comenzamos a ascender sin permitir que la aeronave se eleve, el ángulo de ataque del ala debe disminuir, lo que probablemente significa que estamos empujando hacia adelante el yugo o la palanca de control. ¡Naturalmente, esta no es la forma normal de realizar una escalada! Consulte esta respuesta de ASE para obtener más información sobre el caso de "escalar sin permitir que la aeronave se eleve", en el contexto de otra situación análoga: el "tren de hélice".

Vea estas respuestas relacionadas a preguntas relacionadas:

"¿Hay alguna situación en la que sería beneficioso tener una gran sustentación pero una baja relación sustentación/resistencia?"

"¿Qué produce empuje a lo largo de la línea de vuelo en un planeador?"

"Potencia 'gravitacional' frente a potencia del motor"

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

"¿Estamos cambiando el ángulo de ataque al cambiar el cabeceo de un avión?"

"¿Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para ascender?"

No, la sustentación no será igual al peso de un avión ascendiendo (a velocidad constante).

No puedo dibujar donde estoy, así que tengan paciencia conmigo.

Para una aeronave que viaja a velocidad constante, sin experimentar aceleración, ni vertical ni horizontalmente, la sustentación generada por el ala será menor que el peso de la aeronave. Puede ver que el componente de sustentación será menor que el vector de peso a medida que aumenta el ángulo de ascenso. Por ejemplo, en un ángulo de ascenso de 45 grados, el componente de elevación será igual a la raíz cuadrada (2)/2 del peso (o aproximadamente el 71 % del peso).

Entonces, ¿cómo puede el avión continuar en un camino recto hacia arriba? Los motores proporcionan un empuje que aplica una fuerza igual a la diferencia de sustentación y peso. Puedes ver esto si dibujas un diagrama de fuerza-equilibrio (que intentaré hacer más adelante).

Luego de una consideración adicional, estoy de acuerdo con las Respuestas que concluyen que, en una escalada, el Ascensor es menor que el Peso.

La fórmula aplicable que aparece en varias fuentes de ingeniería indica que, en un ascenso: Elevación = Peso X Seno (Ángulo de ascenso) y Empuje = Arrastre + Peso X Seno (Ángulo de ascenso) (Consulte, por ejemplo, este documento ). Dado que el Seno es siempre menos de 1 en un ascenso, la elevación siempre es menor que el peso en un ascenso. (Editar: se eliminó la referencia a la elevación "vertical". La fórmula se relaciona con la elevación total ya que desea que la elevación = 0 en ascenso vertical).

Mi respuesta inicial fue que la sustentación es (por supuesto) mayor que el peso en una escalada. Esto parecía ser "sentido común" y estaba basado en lo que me enseñaron durante el entrenamiento de vuelo. Por ejemplo, de acuerdo con la FAA "Cuando un avión ingresa a un ascenso, se debe desarrollar un exceso de sustentación para superar el peso o la gravedad. Este requisito de desarrollar más sustentación da como resultado una mayor resistencia inducida, lo que resulta en una disminución de la velocidad aerodinámica y/o una mayor Ajuste de potencia para mantener una velocidad aerodinámica mínima en el ascenso. [Manual de vuelo de aviones (FAA-H-8083-3B), pág. 3-16]

Resulta que el análisis de la FAA es solo parcialmente correcto. La verdadera razón para aumentar la sustentación no es ascender, sino cambiar la trayectoria de vuelo de la aeronave para que coincida con el ángulo de ascenso deseado. Una vez hecho esto, la aeronave está logrando la mayor parte de la tasa de ascenso deseada porque la aeronave ahora está volando hacia arriba. La declaración de la FAA no menciona que la razón principal por la que necesita agregar potencia es mantener la velocidad para compensar los efectos de la gravedad mientras "sube la pendiente".