¿Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para escalar?

Como ya se explicaron las respuestas a su pregunta original, necesita un impulso adicional para acelerar hacia arriba. Sin embargo, una vez que el ala se pone en movimiento vertical, la sustentación nuevamente es exactamente igual al peso para mantener el ala a una velocidad vertical constante (si descuidamos el empuje y la resistencia por un momento). No se necesita elevación adicional para mantener esa velocidad vertical. Solo cuando desea acelerar más arriba, se necesita una elevación adicional.

De hecho, el aumento de la energía potencial proviene de la hélice, porque el vector de sustentación del ala trepadora se inclina hacia atrás, lo que agrega un componente horizontal que debe compensarse con un empuje adicional de la hélice.

Ahora veamos tu experimento en detalle: supongo que el ala tiene algo de masa, está rotatoriamente bloqueada y se desliza hacia arriba y hacia abajo por ese poste sin fricción. Si acelera el automóvil, en algún momento su velocidad será la adecuada para que el ala cree exactamente la sustentación para cancelar su propio peso. A esta velocidad, el ala será estable en cualquier posición a lo largo del palo. Si se desliza un poco hacia abajo, su ángulo de ataque$\alpha$aumentará y creará más sustentación, deteniendo el movimiento descendente. Lo contrario es cierto para cualquier movimiento hacia arriba. Vea a continuación una ilustración del principio. El vector cian es la suma vectorial del flujo debido al movimiento hacia adelante (azul) y al movimiento vertical (rojo), y esto es lo que "notará" el ala.

Cuando el automóvil acelera aún más, la sustentación aumentará y ahora será mayor que el peso. El ala acelerará hacia arriba hasta que su velocidad vertical reduzca su ángulo de ataque lo suficiente como para reducir las fuerzas aerodinámicas verticales para igualar exactamente su peso. Ahora tienes la misma situación que antes, pero no a velocidad vertical cero, sino a una velocidad vertical positiva que asegurará que el ala salte en la parte superior del poste a menos que haya alguna parada. Cuando el ala llega al tope, el movimiento vertical cesa, el ángulo de ataque aumenta y el ala se levantará no solo a sí misma, sino también a parte del peso del automóvil.

Tenga en cuenta que ahora hablé de los componentes verticales de las fuerzas aerodinámicas, no de sustentación. Cuando se agrega arrastre, agregará un componente vertical cuando el ala esté en movimiento. La sustentación se define como la suma de las fuerzas aerodinámicas perpendiculares a la dirección del flujo en el infinito y el arrastre paralelo a ella. Esta definición engorrosa asegura que las distorsiones locales en el campo de flujo no afecten la dirección de sustentación y arrastre. La dirección de elevación del ala trepadora apuntará ligeramente hacia atrás y la dirección de arrastre ligeramente hacia abajo. Esto agregará algún componente de resistencia a la suma de las fuerzas aerodinámicas verticales, y la sustentación debe aumentar para compensar esto. El componente horizontal de la sustentación ahora se sumará al arrastre y las fuerzas en el poste, por lo que se necesita más fuerza de la hélice para empujar el ala que sube por el aire. Esta fuerza adicional es necesaria para aumentar la energía potencial del ala en su ascenso. Para un ala descendente, lo contrario es cierto: ahora el arrastre agregará un componente vertical y la sustentación será un poco más lenta. El componente delantero de sustentación ahora empujará contra el poste, reduciendo la fuerza que la hélice debe proporcionar. La reducción de energía potencial ahora reduce las fuerzas aerodinámicas horizontales.

Un avión es ligeramente diferente, porque es libre de cabecear hacia arriba o hacia abajo y el ángulo de empuje cabeceará con él. Esto permitirá al piloto seleccionar la trayectoria de vuelo y la cantidad de sustentación que crea el ala, pero nuevamente el movimiento vertical asegurará que cualquier exceso de sustentación se traduzca en una mayor velocidad vertical y un ángulo de ataque más bajo, de modo que el exceso de sustentación desaparezca. En un ascenso, el empuje debe ser mayor que la resistencia para aumentar la energía potencial del avión, y ahora el componente vertical del vector de empuje inclinado soportará algo de peso, reduciendo la cantidad de sustentación necesaria para soportar el peso.

Cuando tu dices,

Ninguna potencia invertida por la hélice se convierte en energía potencial del ala; la subida del ala se hace puramente por sustentación.

te estás perdiendo de dónde viene la energía del ala. La sustentación no es un poder mágico que crea energía potencial de la nada: simplemente convierte la velocidad aerodinámica (energía cinética) en altura (energía potencial). En su ejemplo, la potencia invertida por la hélice se convierte en energía cinética de todo el carro, incluido el ala. Así es como la energía pasa de la hélice (o su combustible) a la energía potencial del ala. Necesita usar más empuje para conducir el carro con el ala adjunta, de lo que lo haría si quitara el ala.

Hay dos formas de ver las fuerzas producidas durante una escalada. Recuerde que a medida que un ala produce más sustentación, también produce más resistencia inducida . Es por eso que necesita un exceso de empuje, para generar el exceso de sustentación.

Para una cierta configuración de potencia, puede volar nivelado a cierta velocidad. Si lanzas hacia arriba, las alas crearán un exceso de sustentación, pero también más resistencia. Aunque parte de su empuje actúa verticalmente, no hay exceso de empuje, porque la resistencia es mayor. Reducirás la velocidad, la sustentación disminuirá y dejarás de subir.

En cambio, puede mantener el avión nivelado y agregar más empuje. Esto aumentará su velocidad, lo que también aumentará la sustentación de las alas. Esto, a su vez, aumenta la resistencia inducida, que eventualmente equilibrará el exceso de empuje a una nueva velocidad aerodinámica más alta. Debido a que ha aumentado la sustentación al hacer esto, trepará, aunque sus alas estén niveladas. Solo puede hacer esto porque agregó poder en primer lugar.

(Me siento obligado a señalar que normalmente no ascendería de esta manera: para obtener una mejor velocidad de ascenso, generalmente agregaría potencia y también cabecearía, dejando que su velocidad aerodinámica disminuya a la velocidad donde las alas producen la mayor sustentación. para el menor arrastre.)

Siento que el resto de las respuestas son innecesariamente complejas, dado lo simples que son los fundamentos aquí:

Impulso

Pregunta: ¿Es necesario que L>mg (o como tú lo dices, un exceso de sustentación) para poder escalar?

Respuesta: No, al menos no un exceso sostenido de sustentación. Las Leyes de Newton establecen que un objeto en movimiento permanecerá en ese estado a menos que una fuerza actúe sobre él. Se requiere un desequilibrio de fuerzas para que la aeronave ascienda, pero una vez que esto se ha logrado, las fuerzas se pueden equilibrar y la aeronave continuará ascendiendo. Como tal, un exceso de sustentación no es una condición requerida para que una aeronave sostenga un ascenso.

Energía

Pregunta: ¿Es necesario que agreguemos energía al sistema (en forma de aumento de nuestra potencia de salida) para poder escalar?

Respuesta: Sí, si la energía se conserva entonces para ganar altitud (y por extensión energía potencial gravitatoria), debemos sumar energía. No podríamos agregar energía, no aumentar la potencia de salida de nuestros motores, y simplemente subir, aumentando el AoA pero también la resistencia, y ascenderíamos por un corto tiempo mientras intercambiamos energía cinética por energía potencial gravitatoria, sin embargo encontraríamos que nuestro el avión reduce la velocidad rápidamente y se requiere que nos sumerjamos por debajo de nuestra altitud original para volver a un vuelo nivelado constante.

Por lo tanto, es necesario un exceso de potencia para ascender, pero no un exceso de sustentación sostenida.

La respuesta simple es fácil de demostrar. Comience con un avión TRIMMED para un vuelo recto y nivelado. Por ejemplo, 1000 pies, 100 mph, 1500 rpm puntal de paso fijo.

Ascensor = peso del avión y empuje = arrastre del avión.

Ahora aumente las rpm del motor en 150 rpm (10% más de empuje), lo que aumenta el empuje. La aeronave acelerará por un momento, el aumento del flujo de aire sobre el ala y el estabilizador aumenta la sustentación y la aeronave ganará altitud. En unos segundos, el sistema se equilibrará una vez más, la velocidad aerodinámica volverá a las 100 mph recortadas y el exceso de empuje se mostrará como tasa de ascenso. El avión ahora estará ligeramente inclinado hacia arriba, pero el ángulo de ataque permanece constante ya que está controlado por la configuración de ajuste del estabilizador, que no tocamos.

A continuación, mueva la moldura del elevador hacia adelante, lo que bajará un poco la nariz. La velocidad aerodinámica aumentará ligeramente y la velocidad de ascenso se reducirá. Cuando se ajusta una vez más a un vuelo recto y nivelado, la velocidad de ascenso de la aeronave será 0, la velocidad aerodinámica será superior a 100 mph. Ahora el empuje adicional se muestra como una mayor velocidad.

Para continuar con el ejemplo, reduzca las rpm a las 1500 rpm originales. deja la moldura en paz. La aeronave ahora debería mostrar una velocidad decente, a la nueva velocidad aerodinámica ligeramente más alta.

Todo esto se hizo sin la entrada de la palanca de control.

Cada vez que el piloto maniobra los controles de vuelo de vuelo principal, hay un intercambio casi instantáneo entre el ángulo de ataque, la velocidad, la sustentación, la resistencia, la inercia, la tasa de ascenso o descenso. jerry s

Las respuestas anteriores explican maravillosamente la solución teórica a su problema, pero dado que no ha aceptado ninguna de ellas hasta ahora, estaría ilustrando la solución numéricamente.

Lets assume that your cart is moving with a constant velocity of 'v'

Then, K.E. = 1/2 (mv^2)
D = 1/2((density)(v^2)S(Cd))
and total energy E = K.E. + D*distance (Assuming frictionless interaction of surfaces everywhere)

now, Cd = Cd0 + K(Cl)^2
distance = v*t
so T.E. = 1/2(v^2)(m + (density)SVt(Cd0 + K(Cl)^2))

Aquí se puede ver que la energía total se está utilizando para

1. La parte de energía cinética del carro.
2. El coeficiente de sustentación de parte del ala del Carro.

El coeficiente de la parte de sustentación es, por lo tanto, responsable del uso de energía3d para levantar el ala hacia arriba y, por lo tanto, todo el sistema obedece a la conservación de la energía.

ejemplo interesante

MI INTERPRETACIÓN DE LA PREGUNTA [NUEVO]

Aquí hay una imagen de GlobalSecurity.org que modifiqué para ilustrar mi interpretación de la pregunta. El ángulo de ataque del ala está exagerado en la imagen original.

Mi interpretación es que la pregunta involucra solo el movimiento vertical del ala, por ejemplo, a lo largo de las líneas rojas verticales desde la imagen inferior a la imagen superior. La pregunta señaló que "el vector de empuje es siempre horizontal". Y, como muestra la imagen de arriba, la dirección del viento relativo en relación con el ala no cambia cuando el ala se mueve hacia arriba y hacia abajo.

MIS CONCLUSIONES

Sí, creo que podrías hacer que el ala suba por el poste. Tendrías que asegurarte de que el ala tenga un ángulo de ataque positivo (AoA) ya que eso es necesario para generar sustentación positiva. El AoA se puede crear por la forma del ala o inclinando el ala hacia atrás. Y el motor tendría que ser capaz de empujar el carro lo suficientemente rápido para usar ese AoA para generar el Elevador necesario para superar el Peso del ala.

La ecuación estándar para calcular la fuerza de sustentación es: sustentación (lb) = coeficiente de sustentación X presión dinámica (lb/ft^2) X área del ala (ft^2).

Como se ilustra arriba, una estimación comúnmente utilizada es que el coeficiente de elevación es 1/10 del AoA. Una estimación comúnmente utilizada del AoA máximo es de alrededor de 16 grados, pero eso varía con cada ala.

La presión dinámica es 1/2 pv^2 donde p es la densidad del aire (.00239 slugs al nivel del mar) yv es la velocidad (ft/seg). Entonces, cuanto más rápido vayas y mayor sea el ángulo de ataque, mayor será la sustentación. Así, por ejemplo, si el área del ala es de 6 ft^2, el carro se desplaza a 30 mph (44 ft/seg), la densidad del aire es de 0,00239 slugs y el coeficiente de sustentación es de 0,25 (2,5 grados AoA), el ala generaría una sustentación de 3.45 lbs.

Debo señalar que también es posible forzar el ala hacia arriba incluso si excede el AoA máximo, de la misma manera que puede mover la mano hacia arriba sacándola por la ventana de un automóvil en movimiento e inclinándola hacia atrás. Pero ese no es un ejemplo de verdadera elevación, simplemente estás desviando el viento hacia abajo que empuja tu mano hacia arriba. El Arrastre resultante sería extremadamente alto.

True Lift es el resultado de los diferenciales de presión de aire. Dentro del rango limitado de AoA, esto desarrolla una enorme sustentación y mucho menos resistencia. Los hermanos Wright pudieron volar porque entendieron el poder de la sustentación y porque habían creado un motor con la potencia suficiente para generar la velocidad necesaria para crear suficiente sustentación para exceder el peso de su avión.

(EDITAR: se puede ver un ejemplo interesante de esta diferencia con los veleros, algunos de los cuales usan velas de alas para aumentar la sustentación).

El título de su pregunta podría crear cierta confusión porque se podría argumentar que necesita "exceso de potencia" para generar la velocidad requerida para crear "exceso de elevación". En la literatura, el término "exceso de potencia" se usa para describir la potencia disponible en exceso de la potencia requerida para un vuelo nivelado a una velocidad constante. Este exceso de potencia se puede utilizar para aumentar la velocidad o para aumentar la sustentación a esa velocidad.

Sin embargo, estoy limitando mi respuesta a la pregunta exacta que planteó en el cuerpo de su discusión.

NOTA ADICIONAL [NUEVO]

Un problema con el diseño del vehículo en el ejemplo es que será difícil evitar que el ala salga volando o golpee la parte superior de la viga. Una vez que el vehículo alcanza la velocidad requerida para que el ala genere un exceso de sustentación y mantiene esa velocidad, no hay nada que impida que el ala continúe ascendiendo. Pero no creo que eso sea un problema porque el propósito de la pregunta era solo determinar si el ala comenzaría a elevarse verticalmente.

Simulación actualizada sin fuerza de arrastre vertical

En esta situación, solo para el ala, la sustentación en un ascenso es mayor que el peso. La fuerza vertical se estabiliza para igualar el peso, pero dado que el vector de sustentación se inclina ligeramente hacia atrás debido a la velocidad ascendente, la sustentación aerodinámica aumenta.

La respuesta de Peter Kämpf describe lo que le sucede al ala en esta situación, pero lo que no teníamos era una cuantificación. He ejecutado una simulación en tiempo real de las fuerzas en el ala en el dibujo del OP, en función de la velocidad del aire.$V_{air}$y la velocidad vertical del ala$\dot{z}$. Las fuerzas en el ala se dibujan a continuación, tomé un perfil NACA 0012 con un$\alpha_0$de 2 grados:

$$L = lift = C_L \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot {V}^2 \cdot A \tag{1}$$

$$D = C_D \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot {V}^2 \cdot \tag{2}A$$

Para NACA 0012,$C_L$es proporcional a$\alpha$:$C_L$= 1 en$\alpha$= 10 grados, por lo tanto

$$C_L = k_L \cdot \alpha \tag{3}$$

Cuando el ala sube, el ángulo de ataque cambia:

$$\Delta \alpha = arctan(\frac{\dot{z}}{V_{air}}) \tag{4}$$

Ahora juntamos todas las constantes:$K_L = k_L \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$,$K_D = 0.01 \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$($C_D$para rugosidad estándar en Re = 6 x$10^6$= 0,01 para ángulos de hasta 4 grados)

La sustentación de este ángulo de ataque se encuentra combinando (1), (3) y (4):

$$L = K_L \cdot (\alpha_0 - \Delta \alpha) \cdot V^2 \tag{5}$$

fuerza resultante$F$se divide por la masa para dar como resultado la aceleración del ala, que luego se integra con un integrador digital de Euler para producir$\dot{z}$

L y D están alineados con el vector de flujo libre V, mientras que el peso siempre está alineado con la vertical. Tomamos el coseno del vector L menos el seno del vector D

$$F_{up} = L \cdot cos(\Delta \alpha) - D \cdot sin(\Delta \alpha) \tag{6}$$ Ahora para:

• m = 1 kg
• un = 1$m^2$
• $\alpha_0 = 2 deg$
• $k_L$= 0,1

Obtenemos L = 9.81 N en$V_{air}$= 8,949 m/s. Si luego aumentamos$V_{air}$de 8,949 a 10,5 m/s en 1,5 segundos, el ala obtiene una aceleración inicial hacia arriba. Después de 2,4 segundos la aceleración es cero, el ala sube con velocidad constante$\dot{z}$= 0,1 m/seg. El ángulo de ataque se ha reducido de 2 grados a 1,45 grados.

Valores impresos desde el comienzo de la prueba hasta 3 segundos:

Hay algunos efectos de segundo orden en la respuesta que pueden deberse a la inestabilidad digital debido al gran paso de tiempo del integrador de Euler. Es hora de comprobar que esto no está disponible en este momento.

Entonces, en la situación final, L es 9,82 N, que es mayor que el peso en un ascenso debido al aumento de la velocidad aerodinámica. No mucho: el vector de sustentación se inclina hacia atrás en un ángulo pequeño, determinado por la relación de$\dot{z}$y V que es 0,01. La fuerza vertical total es$L \cdot cos\alpha - D \cdot sin\alpha - W$

En un ascenso en estado estable en un avión, la fórmula básica para la magnitud del vector Ascensor es Ascensor = Peso * coseno (ángulo de ascenso). Para obtener más información sobre esto, consulte los diagramas vectoriales y los cálculos en esta respuesta de ASE relacionada . Siempre que la línea de Empuje esté alineada con la trayectoria de vuelo en lugar de estar inclinada hacia arriba o hacia abajo, la relación Ascensor = coseno (Peso) está "integrada en la física" de un ascenso en estado estacionario, incluso cuando estamos volando a una velocidad constante. Alto ángulo de ataque que produce un alto coeficiente de sustentación y una alta relación L/D . Siempre que el empuje esté alineado con la trayectoria de vuelo, la sustentación es menor que el peso en un ascenso en estado estable.

Si cualquier empuje hacia abajo o hacia arriba está presente en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo , entonces la situación se vuelve más complicada. El empuje hacia abajo hace que el vector de elevación sea más grande y el empuje hacia arriba lo hace más pequeño. En el caso límite donde Drag es cero, Elevación = Peso * coseno (ángulo de ascenso) + Empuje * seno (ángulo de empuje hacia abajo), donde el ángulo de empuje hacia abajo se define en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo. (Trate el empuje hacia arriba como un empuje hacia abajo negativo). Cuando Drag no es cero, entonces esta fórmula ya no se aplica. Cuando Drag no es cero, si hay empuje hacia abajo, el vector de elevación será mayor que el valor dado por la fórmula anterior, y si hay empuje hacia arriba, el vector de elevación será más pequeño que el valor dado por la fórmula anterior. En tales casos, los valores exactos de los vectores de elevación, arrastre y empuje se pueden encontrar mediante un diagrama vectorial, si se conocen la relación L/D y el ángulo de ascenso y el ángulo de empuje hacia abajo o hacia arriba.

Si hay suficiente empuje hacia abajo, la sustentación será mayor que el peso en un ascenso en estado estable. Podemos demostrar que en el caso límite donde Drag es cero, siempre que el ángulo de empuje hacia abajo en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo exceda la mitad del ángulo de ascenso, Lift excederá Weight. Cuando Drag no es cero, el ángulo de empuje hacia abajo que hace que Lift sea igual a Weight se vuelve más pequeño que la mitad del ángulo de ascenso.

El carro del "tren de hélices" solo puede empujar horizontalmente hacia adelante sobre el ala. Entonces, en el caso del "tren de hélices", tan pronto como el ala comienza a elevarse , la dirección de la trayectoria de vuelo instantánea del ala ya no es paralela a la línea de empuje, por lo que existe un empuje hacia abajo. De hecho, el ángulo de empuje hacia abajo siempre es exactamente igual al ángulo de ascenso instantáneo del ala. Entonces, siempre que el ala del "tren de hélices" suba, la sustentación debe ser mayor que el peso, incluso en el caso de estado estable donde la aceleración es cero.

Los diagramas vectoriales inmediatamente anteriores muestran las fuerzas en un ascenso en estado estable para el ala del "tren de hélices" de la izquierda y para un avión convencional (donde el ángulo de empuje hacia abajo en el ángulo de ataque dado resulta ser cero) a la derecha.

Para simplificar, la relación de elevación a arrastre es de 3:1 en todos los casos. Se ilustran ángulos de ascenso de 10 y 30 grados con respecto al horizonte tanto para el "tren de hélices" como para el avión convencional. Los diagramas están dibujados a la misma escala: el vector de peso es idéntico en cada diagrama. Las magnitudes de los vectores de velocidad aerodinámica se escalan en proporción a la raíz cuadrada de la magnitud de los vectores de sustentación y arrastre.

El diagrama de la derecha puede parecer un poco extraño con los vectores de arrastre "independientes", pero mire de cerca y verá dos triángulos rectángulos cerrados, cada uno compuesto por Peso, Elevación y (Empuje menos Arrastre), con Elevación = Peso * coseno (ángulo de ascenso) y (Empuje menos Arrastre) = Peso * seno (ángulo de ascenso).

(Aparte, el diagrama de la derecha se puede modificar fácilmente para cualquier relación L/D borrando o extendiendo los extremos de la derecha de los vectores de arrastre y empuje, manteniendo el valor (empuje-arrastre) igual. No es así fácil de modificar el diagrama de la izquierda para diferentes relaciones L/D; el diagrama debe volver a dibujarse por completo).

Aquí hay una tabla de las fuerzas involucradas, con L/D fijada en 3:1, peso arbitrariamente establecido en 100 y velocidad aerodinámica ("A") en unidades arbitrarias. También hemos incluido la Potencia requerida (P). Dado que Potencia = fuerza * el componente de velocidad a lo largo de la dirección en que actúa la fuerza , la potencia se calcula multiplicando el empuje por la velocidad del aire por el coseno del ángulo de empuje hacia abajo.

(3/1 L/D)
             "Propeller Train"              "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  33   33   100  3300       100  33   0     33   100  3300
     10      115  38   69   107  7260       98   33   17    50   98   4920
     30      145  48   114  120  11900      87   29   50    79   93   7300

Está claro que se debe aplicar más Potencia al ala del "tren de hélices" cuando el ala está subiendo hacia arriba que cuando no lo está, al igual que con el "avión convencional".

Solo a modo de comparación, aquí están las fuerzas y los requisitos de potencia resultantes de un L/D de 10/1 en lugar de 3/1-- (los diagramas vectoriales correspondientes a estos casos no se reproducen aquí)--

(10/1 L/D)
             "Propeller Train"             "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  10   10   100  1000       100  10   0     10   100  1000
     10      104  10   29   102  2890       98   9.8  17    27   99   2700
     30      125  12   75   112  7280       87   8.7  50    59   93   5460

Advertencia : no debemos asumir que la tabla L/D 3/1 y la tabla L/D 10/1 podrían reflejar la misma aeronave o ala, en dos ángulos de ataque diferentes. Si queremos usar las tablas de esa manera, debemos ignorar las columnas "Velocidad aérea" y "Potencia". La razón de esto es que las columnas Velocidad aerodinámica y Potencia se configuran arbitrariamente para cada tabla de modo que un vector de sustentación de 100 se correlacione con una velocidad aerodinámica de 100. En realidad, cuando adelantamos la palanca o el yugo y disminuimos el ángulo de inclinación del ala, ataque y la relación L/D, también disminuimos el coeficiente de sustentación, lo que provoca un gran aumento en la velocidad que no se refleja en las tablas. La "Velocidad del aire" y la "Potencia"Relación L/D, o para comparar los casos de "tren de hélices" y "avión convencional" con la misma relación L/D y ángulo de ascenso, asumiendo que el coeficiente de sustentación es el mismo en cada caso.

Tenga en cuenta que, en realidad, a menos que el ala del "tren de hélices" pueda pivotar libremente en el cabeceo, el ángulo de ataque del ala del "tren de hélices" no puede permanecer constante independientemente de la velocidad de ascenso: cuanto mayor sea el ascenso ángulo, más el "viento relativo" desciende desde arriba, en relación con el horizonte. Esto disminuye el ángulo de ataque del perfil aerodinámico. Por lo tanto, la relación L/D en realidad no puede permanecer constante a medida que aumenta el ángulo de ascenso. A menos que el ala se fije en una actitud de cabeceo muy alto de morro, de modo que esencialmente se detenga cuando no se está elevando, los ángulos de ascenso más altos se correlacionarán con coeficientes de sustentación más bajos y, por lo tanto, con velocidades aerodinámicas más altas. Y mientras estemos en el "lado frontal" de la curva de arrastre,proporciones L/D más bajas . Con el "tren de hélices", en estado estacionario, una disminución en la relación L/D no se refleja como una disminución en la sustentación, sino como un aumento en la resistencia, el empuje y la sustentación. Esto se visualiza mejor observando el diagrama vectorial de la izquierda y viendo qué más cambia cuando aumentamos la longitud del vector de arrastre, mientras mantenemos constante el ángulo de ascenso.

En esencia, los diagramas vectoriales y las tablas anteriores dan una idea de cómo el ángulo de empuje hacia abajo afecta las fuerzas que actúan sobre el ala del "tren de hélices", y también muestran claramente que el ala del "tren de hélices" exige más empuje y potencia. cuando se está elevando que cuando no lo está, pero pertenecen más directamente a un ala libre para pivotar para mantener un ángulo de ataque constante y una relación L/D independientemente de la actitud de cabeceo del fuselaje, a lo largo de las líneas del "ala libre". concepto ( enlace a PDF ) (mejor enlace necesario).

Otra variación interesante del concepto de "tren de hélices" sería , o un ala cilíndrica giratoria usando el efecto "Magnus" ( enlace de Wikipedia ), en cuyo caso la magnitud de los vectores de elevación y arrastre sería insensible a la dirección del viento relativo.

¿Qué conocimientos nos da el "tren de hélices" sobre el vuelo en un avión convencional? Nos dice que es posible entrar en un ascenso sin cabecear en absoluto, de modo que la actitud de cabeceo de la aeronave se mantenga igual que en vuelo horizontal, pero en la mayoría de los casos es extremadamente ineficiente. SiInicialmente volamos muy lentamente, en el "lado posterior de la curva de arrastre", con un ángulo de ataque muy alto y una actitud de cabeceo con el morro alto, agregar potencia mientras se mantiene constante la actitud de cabeceo hará que ganemos velocidad aerodinámica y empezar a subir. En esta parte de la envolvente de vuelo, esta estrategia funciona bien. Sin embargo, si estamos en algo parecido a un vuelo de crucero normal, encontraremos que agregar potencia mientras se mantiene constante la actitud de cabeceo solo puede producir una tasa de ascenso y un ángulo de ascenso muy modestos. A medida que ingresamos al ascenso, para evitar que la aeronave se incline hacia arriba para mantener el mismo ángulo de ataque que tenía en vuelo horizontal, mantendremos la presión hacia adelante en la palanca de control o el yugo para disminuir el ángulo de ataque. o volveremos a ajustar la aeronave para lograr lo mismo. A menos que estemos en el "empuje hacia arriba en relación con la trayectoria de vuelo cuando volaba horizontalmente, cualquier ángulo de ascenso positivo introducirá empuje hacia abajo en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo. Si comenzamos desde un vuelo de crucero normal en el "lado frontal" de la curva de arrastre, todas estas relaciones funcionan en nuestra contra y encontraremos que se necesita un gran aumento en la velocidad aerodinámica, el empuje y la potencia para lograr un muy Tasa de ascenso y ángulo de ascenso modestos.

El experimento mental del "tren de hélices" deja en claro por qué normalmente iniciamos un ascenso al permitir que la aeronave se incline hacia arriba para que el ángulo de ataque no disminuya en virtud de la trayectoria ascendente de la aeronave y la línea de empuje no apunte hacia abajo . en relación con la trayectoria de vuelo, independientemente de si realmente elegimos o no aumentar el ángulo de ataque al entrar en el ascenso.

Ninguna potencia invertida por la hélice se convierte en energía potencial del ala; la subida del ala se hace puramente por sustentación. ¿Me he perdido algo?

Sí, con el "tren de hélices", cuando el ala se eleva, el empuje ciertamente está trabajando en la dirección de la trayectoria de vuelo a través de la masa de aire, que nunca es puramente vertical. Aquí hay una situación análoga: imagine una cometa volando en un día ventoso, con la cuerda en un ángulo de 45 grados. Imagine que tenemos una pelota liviana que puede colgar de un gancho que podemos enganchar sobre la cuerda de la cometa. La fuerza puramente horizontal del viento hará que la pelota suba por la cuerda de la cometa. El viento está haciendo un trabajo que aumenta la energía potencial de la pelota, y la hélice del "tren de hélices" está haciendo un trabajo que aumenta la energía potencial del ala.

Enlaces relacionados:

¿Levanta el mismo peso en una escalada? -- incluye diagramas vectoriales

¿Hay alguna situación en la que sería beneficioso tener una gran sustentación pero una baja relación sustentación/resistencia? -- incluye un enfoque en los coeficientes de sustentación y arrastre , así como los vectores de fuerza reales, en vuelo ascendente

¿Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para escalar? -- examina la pregunta actual en detalle exhaustivo, sin limitarse a la condición de estado estacionario de tasa de ascenso constante, e incluye una versión modificada del problema donde el ala del "tren de hélice" es libre de pivotar para mantener un ángulo de inclinación constante ataque

La otra respuesta (y la premisa básica) son engañosas. La aviación es un equilibrio cuidadoso de casi todo, y rara vez obtienes más de uno sin perder algo del otro.

Considere un cohete. Sin alas y, por lo tanto, sin ascensor. Nivel del mar, 0 m/s para orbitar en 8 minutos. Todo hecho con una cantidad de poder bastante ridícula.

Ahora considere una aeronave. Tampoco hay alas, pero sí exceso de sustentación. Sube solo. Los motores son puramente para maniobrar, si los quitas, generalmente lo llamamos globo.

Una de las cosas más ridículas que escuché fue un instructor de vuelo que afirmó que el acelerador controla la altitud y el elevador controla la velocidad. Llamé a BS completo en la declaración y le pregunté si se encontraba volando hacia algún cumulo-granitus, ¿preferiría agregar potencia o tirar hacia atrás con bastante fuerza en los controles?

Lo que estaba tratando de transmitir era que en el régimen extremadamente estrecho de vuelo recto y nivelado*, el ajuste de la potencia afectará la velocidad que afecta la sustentación, y el avión eventualmente se estabilizará a una altitud diferente después de un ajuste de potencia. Ajustar el cabeceo cambiará tu velocidad casi de inmediato, pero tu altitud también cambiará. Podría organizar una demostración de ajuste de potencia y tono simultáneamente y que nada más cambie, pero eso básicamente prueba mi punto. Si desea reducir la velocidad (por ejemplo, aterrizar), ¿deja el acelerador al máximo y tira de la palanca hacia atrás hasta el final? Por supuesto no. Es un equilibrio muy delicado y es algo que los pilotos pasan mucho tiempo aprendiendo. O si trabaja para ciertas aerolíneas asiáticas, solo tiene algunas computadoras muy caras que lo manejan por usted.

• Sí, pasamos mucho tiempo allí, pero considere qué tan preciso debe ser. Una fracción de grado, sin corregir, en cualquier eje hará que te estrelles antes de que te quedes sin combustible.