¿Por qué es de papel (o cualquier sin cola) avión estable en cabeceo?

Question

Para aclarar mi pregunta más, voy a utilizar un ejemplo práctico.

Aquí es el más simple avión de papel el diseño que se pueda pensar - es rectangular, de espesor de papel de dibujo con un peso adjunto en el centro de uno de los lados largos. He utilizado un clip de papel, la celebración de un metal clave.

Entonces yo realizar este sencillo experimento: yo tengo la hoja de papel en la "cola", con un aproximado de 45° con la nariz hacia abajo actitud y simplemente dejarlo ir , es decir, no hay velocidad inicial. Si el peso se ha correcta de la masa, la hoja de papel se desliza con gracia hacia adelante (de hecho, yo estaba bastante sorprendido de que un crudo de diseño se comporta tan bien).

Lo que me molesta es que no puedo explicarme a mí mismo por qué el avión se ha dicho comportamiento. Aquí está la forma en que me tratan de analizar (que debe estar mal, ya que no de pie a los hechos). El plano se dibuja como se ve desde el lado:

Desde el ala es de muy simple de forma rectangular en el centro de la presión en su centro. Por otro lado colocando el peso en la nariz hemos movido el centro de masa un poco hacia adelante (que se dice que es necesario para la estabilidad longitudinal de un avión).

En el momento t=0s cuando dejo ir el avión no hay otras fuerzas que actúan sobre él, excepto la gravedad. El avión sube un poco la velocidad hacia abajo y de inmediato la presión de las fuerzas de comenzar a actuar. He dibujado la presión total de la fuerza y la claridad descompuesto en levante y arrastre los componentes (las magnitudes y las direcciones son sólo ilustrativas). El ascensor componente explica por qué el avión comienza a ganar de avance de velocidad.

Si las fuerzas que actúan en este modo, la presión de la fuerza debe crear un par de torsión alrededor del centro de masa y rotar el plano hacia la izquierda (desde la perspectiva del dibujo). Pero, en realidad, ocurre exactamente lo contrario - el avión gira hacia la derecha y continúa el aumento de la velocidad de avance. Sabemos que en los aviones de la cola es usada para producir el par de torsión que se cancela el par de torsión del ala principal, pero no hay nada aquí para cancelar. De hecho, el par debe actuar hasta que el ángulo de ataque es anulada y sólo el arrastre de restos componente. Que es como un dardo o una flecha que va a caer si se cae en el mismo camino! La diferencia entre el dardo y el plano anterior es que el centro de masa de la primera es mucho más alejadas del centro de presión. Pero todavía no entiendo donde es que las agujas del reloj par proviene y cómo se cancela más tarde, cuando el avión gana suficiente velocidad de avance y logra la estabilidad en cabeceo.

EDITAR/ADDON: Gracias a todos por las respuestas.

Desde el doblez del papel realmente añade mucha complejidad para el análisis que hizo el avión de la firma de cartón como se puede ver en las siguientes secuencias:

El ala también está la plaza de ahora. Ya que es considerablemente más pesado que antes no se deslizan hasta ahora, pero todavía el efecto es el mismo.

Ahora, con la curvatura del ala de la imagen, la explicación debe estar en lo que Pedro sugiere: que el centro de ascensor no está en el centro del ala, pero 1/4 más cercano a la nariz. Algo como esto:

¿Por qué el ascensor centro no está en el centro pero en un 1/4 de cuerda es muy claro para mí, pero voy a tratar de leer sobre él.

A continuación, la última cosa que me gustaría saber es cómo el ala vuela en más o menos estable de ángulo de ataque (o al menos en algún modo oscilante). La explicación sería fácil si este 1/4 de la regla no es exactamente sólido y el punto de presión se puede mover hacia adelante y hacia atrás en función del ángulo de ataque y/o de la velocidad. Entonces, si se mueve muy cerca de la c.m el momento de que tienden a cero. Si se mueve detrás de la c.m el par será ccw, la nariz de la gota y, a continuación, el tono oscilaciones podría ser explicado. Pero es esto realmente el caso? O la física son mucho más complejos de esta simplificación?

Answer 1

El primer factor en la estabilidad de afinación de la inercia. Aunque es solo una hoja de papel, su momento de inercia alrededor del eje de cabeceo es bastante alto, por lo que cualquier tono de movimiento es lento.

Siguiente es aerodinámico, cancha de amortiguación: Como el papel comienza a tono, las fuerzas locales en los bordes producirá una estabilización de momento.

Que el papel poco a poco de tono es debido a la ubicación del centro de ascensor, que actuará en un cuarto de la cuerda. La ubicación exacta es un poco por delante del cuarto de acordes, el más, el más delgado que el papel es (relación de la distancia a la longitud de la cuerda). Esto crea un campo de pitch-hasta el momento, y dado que el documento en sí es bastante flexible, se dobla todo el papel en una graciosa curva. De nuevo, esto ayuda a estabilizar el papel, debido a un negativamente convexo ala es naturalmente estable.

Su clip de peso es necesario para cambiar el centro de gravedad hacia adelante a una cuarta parte de que el avión de papel del acorde. Aquí es donde la resultante de la fuerza de elevación acto de la voluntad, por lo que cambiando el centro de gravedad hacia adelante, a minimizar el tono momentos. Usted puede también doblar la primera mitad de la hoja de papel en un apretado rollo de papel - esto va a producir el mismo efecto como el de un clip. Una vez que el ángulo de paso aumenta, también lo hace de elevación y ángulo de ataque. Más allá de un ángulo de ataque de tal vez 10° o 15°, el flujo de aire en la parte superior va a separar, que se desplazará el centro de ascensor hacia atrás. También, el ascensor se detiene a aumentar con la mayor ángulo de ataque aumenta. Ahora el ascensor crea un tono abajo de momento, lo que ayuda a recuperar la actitud en la cual el flujo es aún parcialmente adherido. Especialmente cuando se utiliza la más rígida de cartón, este efecto estabilizador de vuelo con un parcialmente paralizado ala es de fácil acceso una vez que el centro de gravedad está a la derecha.

En el plegado de los aviones de papel, te darás cuenta de que un poco doblado hacia arriba en el borde de fuga ayudará a estabilizar el avión de papel, mientras que doblan abajo para asegurarse de que va en picada rápidamente. Doblando el borde de fuga, al menos parcialmente, va a crear un área local de elevación inferior (o real de la carga aerodinámica), que se ven proporcionalmente un fuerte aumento de la elevación cuando todo el avión de papel lanzamientos. Esto se traduce en un tono abajo de momento, y viceversa. Esto es todo lo que se necesita para dar un avión de papel positivo en la estabilidad.

Una simple hoja será demasiado disquete para beneficiarse del efecto estabilizador de un doblado hasta el borde de salida, aunque.

Answer 2

Esto no es una descripción exacta pero debe darle una mejor perspectiva.

Yo creo que es mejor atajar este problema en etapas. Primero ¿qué sucede si dejamos caer un horizontales de papel? Bueno, es de los bordes de la curva como esta:

Ahora, ¿qué pasa con 45° de papel? Sus bordes se curva hacia arriba de nuevo. La presión de arrastre es muy sensible función del ángulo de ataque. Es la máxima para una placa perpendicular a la corriente cae a cero por una placa paralela al flujo (punto en el que la fricción de arrastre domina). Cae rápidamente (la mayoría de las relaciones empíricas de predecir algo entre $cos(\theta)$$cos^2(\theta)$). Así que el centro de presión se mueve hacia la izquierda como se puede ver en la imagen (flechas rojas representan la presión de los vectores).

Después de ganar algo de velocidad horizontal de la relativa velocidad del aire de vector de cambios, de modo que incluso hay menos presión sobre el borde de la derecha (desplazamiento del centro de presión aún más) y se cae más rápido que el borde izquierdo, mientras que el borde izquierdo de la curva más hasta que se detiene y la situación se invierte. Esto quiere decir que es inestable, al igual que el segundo plano de abajo:

Ahora por un positivo de elevación aerodinámica para ser estable su centro de masa debe estar más cerca de la vanguardia que el centro de presión. Eso es lo que el peso. Se mantiene el ángulo de ataque de la vanguardia de baja para que no se desvanezca.

La actualización es por eso Que me dijo que no es exacta la descripción. Cuando se coloca un objeto en un fluido que fluye, una parte del flujo sobre el objeto, algunos de los de debajo de ella. Este es un túnel de viento a prueba de una placa plana.

La línea divisoria se llama estancamiento racionalizar y termina en el punto de estancamiento en el objeto. El líquido se detiene en este punto. Como se puede ver en la imagen de bajo ángulo de ataque es muy cerca de la vanguardia.

De acuerdo con el principio de Bernoulli, en un flujo laminar, la presión será mayor, donde el fluido no tiene la velocidad (i.e punto de estancamiento), porque en ese momento todos los de la presión dinámica del fluido será ejercido en el objeto. Así, en la parte inferior de la superficie de la presión será mayor en el punto de estancamiento, pero lo que sobre la superficie superior? Distribución de la velocidad y, en consecuencia, la distribución de la presión no es uniforme en la superficie superior, pero también en favor de la vanguardia. Esta figura pertenece a la Aerodinámica libro de Theodore von Karman (y se explica en el capítulo IV cómo llegar a esto):

No mira a la izquierda, eso es supersónico. Así que el centro de presión está más cerca de la vanguardia para velocidades subsónicas a bajo ángulo de ataque. Pero por muy alto ángulo de ataque de punto de estancamiento es cerca de la media y la distribución de la presión es uniforme en el otro lado para que el centro de presión está en el medio. Es simplemente una observación empírica que para bajos ángulos de ataque y el centro de presión es de alrededor de una cuarta parte de la longitud de la cuerda detrás de vanguardia.

Answer 3

Todavía estoy viendo explicaciones de ser sacado del aire, por así decirlo. Estoy 100 horas de alumno piloto, y déjame decirte que lo que cada piloto debe absolutamente aprender acerca de la estabilidad en el eje de cabeceo, porque si te equivocas una vez, te la anulación de la garantía en el plano y en ti mismo. Usted no necesita un Doctorado en física para conseguir el punto.

Vamos a empezar con un simple ordinario pequeño avión como un Cessna 172 (detalles aquí), como aprendí. Usted debe ser consciente de que el centro de gravedad (CG), y debe ser hacia adelante del centro de la elevación de la principal carga del ala. Cuenta con una amplia gama, con un avance de límite y un límite popa. Usted debe ser capaz de hacer un simple cálculo basado en el peso del combustible, el peso de los pasajeros y el equipaje, y su posición hacia delante o hacia atrás. Básicamente lo que hace es sumar los pares debido a su peso y en el momento en el brazo, y este le dice que si el CG está dentro de los límites.

¿Por qué es el centro de gravedad hacia adelante del centro de ascensor? Porque eso significa que la cola tiene que empujar hacia abajo. (En realidad, es un ala invertida.) Esto crea un tono sabio par entre el ala principal y de la cola, y la fuerza de torsión es proporcional a la velocidad al cuadrado.

¿Por qué necesita? Para la estabilidad de la velocidad y el tono. Si por alguna razón el avión llega a una corriente ascendente y lanzamientos, ¿qué sucede? Ya que se va, se pierde velocidad, lo que disminuye el tono sabio-el par, que permite la nariz fuerte para tirar hacia abajo, por lo que vuelve a su tono original y la velocidad. Mismo si pega un tiro descendente - se acelera, más la nariz de par, y nos devuelve a la original, el tono y la velocidad.

Usted puede haber oído hablar de "recorte para una velocidad deseada". Eso es sólo una pequeña rueda en la cabina que efectivamente se ajusta el par mediante el ajuste de la cola. Si se establece para más de par motor, el avión se retrasa, menos par - avión acelera.

¿Qué sucede si usted se mueve el centro de gravedad muy lejos hacia atrás, poniendo ladrillos de plomo en el equipaje? Ya no tienes de que la estabilidad en la afinación. Tienes que concentrarte muy duro para mantener el nivel. La más leve presión con el dedo en el yugo (el palo que el piloto se aferra a), y amplías y estancamiento, o zoom hacia abajo y el exceso de velocidad, y oscilante caóticamente entre los dos. Si usted no tiene cuidado, usted puede conseguir la nariz hacia arriba y lento y empezar un mal camino, que no se puede escapar, todo el camino hasta el suelo.

Por supuesto, si el centro de gravedad demasiado lejos hacia adelante, se obtienen diferentes problemas, que no son demasiado difíciles de averiguar.

La diversión?

Lo mismo va para cualquier simple "aeronaves", como el papel de la junta. Se necesita una función de la velocidad, el par causando la cancha, y un delantero de peso que tira de la nariz hacia abajo. Incluso si la tabla es plana, su centro de ascensor está en la parte delantera del centro, así que hay un par. Sólo porque un "ala voladora" no parece tener una cola, su borde de fuga tiene suficientes de que hacia arriba para proporcionar ese par. Algunos aviones tienen una canard en lugar de una cola, pero es la misma idea - más rápido que la velocidad = mayor nariz de par, y el centro de gravedad es siempre hacia adelante del centro de ascensor.

Excepción: Militar de aviones de caza. Prefieren inestabilidad para que puedan maniobrar muy rápidamente. Tienen equipos de administrar los controles, debido a que un humano podría hacerlo nunca. Mirar hacia abajo en la llanura-aviones viejos, a llamar a los "temerosos de Dios" aviones :)

Answer 4

Genial! Yo sólo tenía que intentarlo. Un centavo puede / no puede haber sido sólo el derecho de masa, y he utilizado un poco más pesado que el promedio de grado de papel. Pero era una especie de estabilidad.

Cuando la dejo, las esquinas delanteras curva hacia arriba. Esto aumenta el arrastre en la parte delantera. Este parece ser el origen de la curva que se muestra. La nariz viene, y el avión se retrasa.

A veces es estable. A veces la nariz va demasiado lejos, se detiene y, a continuación, las gotas en la nariz. Si se te cae en unas escaleras, se tiene más tiempo para desarrollar un comportamiento inestable.