Girar un avión. ¿Qué causa realmente el movimiento circular en un giro inclinado?

Question

Básicamente me pregunto si esto es correcto. Lo que esencialmente dice que se necesita un par de torsión para que el morro de la nave gire y que esto lo proporcionan las superficies traseras de la cola.

Después de intentar simular el vuelo de un avión en un motor de juegos, creo que ese enlace es correcto. Aunque el vuelo de un avión rara vez se describe así.

Si sólo aplicas fuerza en la dirección de sustentación (y empuje), entonces durante un balanceo, la componente horizontal de la sustentación hace que el avión obtenga una velocidad con componente horizontal. Pero el avión no gira. El avión se desliza hacia un lado mientras avanza. La componente horizontal de la sustentación no permanece perpendicular al vector velocidad, por lo que no se mueve en círculo.

Imagina también un bloque deslizándose hacia delante sobre hielo (v constante) con un pequeño propulsor acoplado a su lado (apagado). Ahora enciende el propulsor lateral (apuntando a través de cm). ¿El bloque empieza a girar en círculo o sólo adquiere una componente horizontal en su velocidad? ¿No necesita un par de torsión, al igual que el avión, para mantener el empuje perpendicular al vector velocidad?

¿Estoy loco o es cierto?

Answer 1

Tienes razón, el bloque de hielo no girará automáticamente. Requerirá un par de torsión. En aviación esto es básicamente lo que se llama coordinar un giro. En un avión, si el piloto no proporciona el par de coordinación necesario mediante las entradas del timón/elevador, el par se generará automáticamente mediante el efecto veleta, que tiende a alinear el fuselaje con la velocidad. Por lo tanto, puedes girar simplemente inclinándote, si no te preocupas por mantener constantes la altitud y la velocidad aerodinámica. En un helicóptero, es una historia diferente, ya que el helicóptero no tiene mucho de un efecto de veleta, al menos a bajas velocidades. Con un helicóptero a baja velocidad, si te inclinas sin coordinar el timón, te deslizas lateralmente.

Answer 2

Como estudiante de pilotaje con 100 horas y 300 aterrizajes, por no hablar del interés por la ingeniería y la física, me encantan las preguntas de este tipo.

Mi primera recomendación es que se haga con un ejemplar de Palanca y timón . Es un libro delicioso, utilizado por los pilotos durante más de medio siglo para comprender los fundamentos del vuelo.

Mi segunda recomendación es tomar una clase de iniciación al vuelo . Cuesta alrededor de $ 200 y es el más divertido por dólar que usted puede tener honestamente.

Ahora a intentar responder. (Casi cualquier pregunta de este tipo puede entenderse con un simple planeador de madera de balsa o un avión de papel).

Lo primero que hay que entender es que en vuelo recto a velocidad constante, para un avión normal con una sola ala principal y una cola, el ala empuja hacia arriba y la cola empuja hacia abajo. El ala soporta no sólo el peso descendente del avión, sino también la fuerza descendente sobre la cola. El avión es pesado de morro, y si la cola se cortara de repente, el avión caería inmediatamente. Como la cola está a cierta distancia por detrás del ala, su sustentación hacia abajo crea un momento que mantiene el morro levantado. Las elevaciones hacia arriba y hacia abajo, y por tanto el momento, son proporcionales a la velocidad al cuadrado. Si por alguna razón el avión frena, el momento disminuye, el morro baja y el avión acelera. Si acelera, el momento aumenta, el morro sube y el avión se ralentiza.

Esto es lo primero que hay que entender de los aviones: cómo la pesadez del morro y la sustentación descendente de la cola hacen que su velocidad sea estable. La velocidad exacta que busca depende del ángulo de las superficies de la cola. Cuanto más inclinadas estén hacia arriba, más lento volará el avión, y hacia abajo significa más rápido. (Por si te preguntas cómo consigue el ala suficiente sustentación cuando vuela más despacio, es porque todo el avión se inclina hacia arriba, lo que le da más ángulo de ataque). Sé que preguntas por los giros, pero esto es lo primero que tienes que entender.

Segundo, ¿cómo se hace para subir o bajar? Para eso está el acelerador. Igual que en un coche, necesitas más potencia para subir una cuesta y menos para bajar. En un avión, si aumentas la potencia, acelera, levanta el morro, vuelve a su velocidad natural y sigue subiendo. Si disminuyes la potencia, reduce la velocidad, baja el morro y recupera su velocidad natural, pero en una pendiente descendente.

Vale, preguntabas por los giros. La forma de girar un avión es inclinándolo. (Con los alerones, monentarily girando el yugo a la izquierda, y luego volver a centrarlo). Supongamos que lo inclinas 30 grados a la izquierda. Eso inclina tu vector de sustentación, de modo que la mitad de él te acelera hacia la izquierda, y 0,866 de él empuja contra la gravedad. Para evitar que la gravedad gane, se aplica contrapresión en el yugo, creando más sustentación. Un giro tiene mucho en común con una subida, a menos que quieras descender al mismo tiempo. También tienes que darle algo más de potencia para mantener la velocidad durante el giro.

Aquí hay un banco de 60 grados: donde tienes que levantar 2Gs para mantener una altitud constante, y añadir bastante potencia. Es una maniobra bastante estresante, y no puedes hacerla a baja velocidad porque si tiras tan fuerte entrarás en pérdida. Eso demuestra la similitud entre un giro y un ascenso.

Preguntabas por qué el avión no acelera lateralmente en lugar de girar. Si lo hiciera, muy pronto sentiría este viento lateral sobre él. Cada avión es una veleta. Se convierte en el viento que siente. Así, indirecta, que es la respuesta a su pregunta.

Answer 3

Para girar, los alerones (superficies móviles en los bordes de salida de las alas, cerca de las puntas) se mueven en direcciones opuestas, aumentando la caída efectiva de una punta del ala y reduciendo la de la otra. Esto crea una diferencia en la distribución de la sustentación a lo largo de la envergadura.

Si el piloto no da ninguna otra orden, el morro bajará; suponiendo que se ha empezado en vuelo recto y nivelado sin acelerar (SLUF), a medida que el avión rueda la componente del vector de sustentación que se opone al peso del avión baja (hasta cero cuando está en un ángulo de 90º). $^{\circ}$ bancos).

Para mantener el vuelo nivelado, hay que aumentar el ángulo de cabeceo, lo que también modifica el vector de empuje. Para mantener el vuelo sin aceleración (en concreto, para no perder velocidad), hay que aumentar el empuje (ya que la resistencia aumenta al aumentar el ángulo de cabeceo).

La distribución diferencial de la sustentación en las puntas de las alas también crea una distribución diferencial de la resistencia aerodinámica; en la mayoría de las configuraciones de aviones convencionales, esto se manifiesta en forma de guiñada adversa (es decir, el morro tiende a desviarse de la dirección de inclinación). Esto se contrarresta aplicando una fuerza de timón equilibrada.

Resumen: en un giro nivelado no acelerado, la fuerza lateral sobre la cola vertical debida a la desviación del timón mantiene el morro tangente al círculo, mientras que la componente horizontal de sustentación debida al ángulo de inclinación proporciona la fuerza centrípeta.

Emilio tiene razón en que el par motor (acoplamiento giroscópico) puede ser un problema; normalmente es insignificante a bajas velocidades de rotación.

EDIT (todavía no tengo suficiente reputación para comentar las respuestas de los demás): sí, el vector de sustentación "naturalmente" es normal al vector velocidad. por definición es la componente de la fuerza aerodinámica que es normal a la velocidad, mientras que la componente paralela a la velocidad se denomina "resistencia".

Answer 4

Creo que el giro banqueado podría hacerse así:

1. Inclina un ala hacia arriba y la otra hacia abajo para que el avión se incline. La fuerza de sustentación está ahora ligeramente desplazada hacia un lado. Ahora te estás deslizando hacia un lado, como se menciona en el enlace que has publicado.
2. Consigue que el avión cabecee "hacia arriba" desde su propio punto de vista. La fuerza en este punto es lateral y ligeramente hacia atrás. No sé si esto se haría con las alas o con la cola.
3. Deshaz el paso 2. Usted está en un rumbo diferente, pero todavía inclinado y sigue deslizándose.
4. Deshaz el paso 1. Estarás en el nuevo rumbo y ya no estarás en el banco.

Para la parte del bloque sobre el hielo que describes: cualquier propulsor que aplique fuerza a lo largo de una línea que pase por el centro de masa no hará que el objeto gire. Puedes añadir una componente horizontal de aceleración, como has sugerido, pero el bloque no girará y no podrás conseguir que se mueva en círculo sólo con ese propulsor.

Answer 5

Me gusta esta pregunta, y el enlace me parece de gran utilidad, pero aun así voy a repasar varias cuestiones que tengo con su explicación.

En primer lugar, tenemos que establecer la situación completamente plausible de un avión equilibrado que funciona normalmente, luego se inclina a la izquierda o a la derecha, y el hecho de que se shimmy en esa dirección respectiva y hacia abajo. Esto sólo requiere un diagrama de fuerzas de primer nivel. El vector gravedad tiene la misma magnitud pero girado respecto al plano y las fuerzas aerodinámicas no cambian respecto al plano. En el enlace se mencionan varias veces los momentos de fuerza, pero...

1. No los encuentro útiles o necesarios para la explicación de los giros de los aviones y
2. No veo ninguna razón para predecir un desequilibrio de momento en el plano vertical del avión

Considere que normalmente las alas ejercen una fuerza de sustentación hacia arriba (en relación con el avión) y la cola horizontal ejerce una fuerza de sustentación hacia abajo. Si suponemos que no cambiamos la velocidad del aire respecto al avión entonces el cambio del vector de gravedad (en CM) no tiene capacidad para crear un momento de fuerza neto en ninguna dirección. Tanto la sustentación como la gravedad actúan en el CM, y una tiene que moverse para que obtengamos un momento (como hacen en los problemas de flotabilidad).

Desde el punto de vista simplista de un equilibrio de fuerzas puntual, no es posible dirigir el avión en absoluto. El enlace presenta un intento de resolver este conflicto.

para evitar perder altitud, el piloto tiene que compensar con un poco de contrapresión en el yugo

No estoy de acuerdo. El piloto tiene que volver a presionar el yugo para inclinarse, pero la idea de que lo hace para compensar la pérdida de altitud no se sostiene. Consideremos la percepción fundamental del movimiento: la velocidad sin aceleración ni marco de referencia no es perceptible. El piloto tendría que mirar literalmente el altímetro y tirar del yugo para compensar. Siempre que lo hiciera, el giro se produciría, sí.

Es mucho más perceptible que empiezas señalando hacia el suelo frente a moviéndose hacia el suelo. De nuevo, si estás perdiendo altitud, podrías darte cuenta eventualmente, pero ver el horizonte moverse crea... una corrección muy instintiva por parte del piloto.

Aquí entraré en la resolución superior.

Por ejemplo, cuando un avión se inclina y se mueve lateralmente en el aire (como en el movimiento paralelo comentado anteriormente), el viento relativo golpeará al avión desde el lado hacia el que se inclina.

Si el avión se mueve hacia la derecha/izquierda y hacia abajo (como resultado de la aceleración del diagrama de fuerzas puntuales) entonces la cola presenta una gran superficie directamente al viento. Esto predice un momento de fuerza exclusivamente en el plano horizontal de la aeronave que apuntará el avión hacia abajo y derecha/izquierda. El piloto tirará entonces del yugo hacia atrás (posiblemente de forma imperceptible) para compensar el movimiento del horizonte. Desde el punto de vista del análisis del sistema de control, el piloto principal responsabilidad será probablemente mantener la orientación arriba/abajo. Como cualquier otra entrada de control cambia esto, el control de orientación arriba/abajo responderá automáticamente muy vigilante.

Esta es mi explicación preferida, y debo advertir que tengo muy poca experiencia directa con aviones en vuelo y que mis escritos están estrictamente orientados a la física académica. Con mi hipótesis actual, tenemos una predicción importante a tener en cuenta:

• Girar a la izquierda o a la derecha es un efecto de segundo orden de la inclinación del avión.

La alternativa a esto sería que la orientación de la aeronave izquierda / derecha directamente imparte un momento (que recuerde que no estoy de acuerdo). Es interesante considerar la posibilidad de aplicar esto a la experiencia. ¿A qué velocidad se inicia el giro una vez que el avión está orientado en la posición inclinada? ¿El viraje conlleva intrínsecamente una pérdida de altitud? Mi explicación predice "lento" y "sí".

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Se planteó una cuestión más sobre el momento de los motores/hélices. A no ser que tuvieras motores dobles contrarrotatorios (o más, en número par), esto añade un componente asimétrico. Es más fácil girar a la izquierda o a la derecha, dependiendo de la dirección del giro. Sé que los combatientes de la época de la Segunda Guerra Mundial eran muy conscientes de este hecho en muchas situaciones. Creo que es obvio que uno podría utilizar este hecho para su ventaja/desventaja.