Casi todo el mundo hoy ha volado en un avión. Muchos se preguntan la simple pregunta " lo que hace volar un avión? " La respuesta se obtiene con frecuencia es engañosa y, a menudo simplemente errónea . A modo de ejemplo , la mayoría de las descripciones de la física de Fixate ascensor en la forma del ala (es decir, de perfil aerodinámico ) como el factor clave en la comprensión de ascensor. Las alas en estas descripciones tienen una protuberancia en la parte superior de modo que el aire tiene que viajar más lejos en la parte superior que bajo el ala. Sin embargo, todos sabemos que las alas volar bastante bien al revés , donde se invierte la forma del ala. Para cubrir esta paradoja que a veces ver una descripción para vuelo invertido que es diferente que para el vuelo normal . En realidad, la forma del ala tiene poco que ver con cómo se genera ascensor y todo que ver con la eficiencia en el crucero y estancar características . Cualquier descripción que se basa en la forma del ala es errónea.

Veamos dos ejemplos de las alas de éxito que violan claramente las descripciones que se basan en la forma del ala. El primer ejemplo es un diseño muy antiguo. La figura 1 muestra una fotografía del modelo de tipo D empujador Curtis 1911 IV . Es evidente que el aire viaja la misma distancia sobre la parte superior y la parte inferior del ala . Sin embargo, este avión voló y fue el segundo avión adquirido por el Ejército de los EE.UU. en 1911.

El segundo ejemplo de un ala que viola la idea de que la elevación depende de la forma del ala es de un ala muy moderno. La Figura 2 muestra el perfil de la superficie de sustentación Whitcomb supercrítico ( NASA / Langley SC ( 2 ) -0714 ) . Esta ala es básicamente plana en la parte superior con la curvatura de la parte inferior .

A pesar de su forma puede parecer contrario a la opinión popular de la forma de las alas , esta superficie de sustentación es el fundamento de los aviones modernos alas .

El énfasis en la forma de las alas en muchas explicaciones de elevación se basa en el Principio de Igualdad de tiempos de tránsito . Esta afirmación erróneamente afirma el aire que circunda una ala debe tomar la misma cantidad de tiempo , ya sea ir por encima o por debajo, para llegar al borde de salida. El argumento es que, dado que el aire va más lejos en la parte superior del ala tiene que ir más rápido, y con el principio de Bernoulli que dispone de ascensor. Sabiendo que los tiempos de tránsito de igualdad no es defendible la declaración es a menudo suavizado que decir que desde el aire que va en la parte superior debe ir más lejos se debe a la mayor rapidez. Pero , esto es de nuevo sólo una variación en la idea de veces igual de tránsito . En realidad, los tiempos de tránsito iguales sostiene sólo por un ala sin ascensor. La Figura 3 muestra una simulación del flujo de aire alrededor de un ala con ascensor.

La ecuación de Bernoulli es una declaración de la conservación de la energía . Es correcto, pero no es aplicable a la descripción de la elevación en un ala real. Las alas de un avión de 800.000 libras están haciendo un gran trabajo para mantener el avión en el aire . Están añadiendo una gran cantidad de energía para el aire. Uno de los requisitos de la aplicación del principio de Bernoulli es que no se añade energía al sistema . Por lo tanto , la velocidad y la presión del aire por encima de un ala real en vuelo no están relacionados por el principio de Bernoulli . Además, las descripciones de elevación que evocan el principio Bernoulli dependen de la forma del ala . Como ya se ha dicho , la forma del ala afecta la eficiencia y la cale características del ala , pero no la elevación. Eso queda para el ángulo de ataque y la velocidad.

LEYES Y ELEVACIÓN DE NEWTON

Entonces, ¿cómo un ala genera elevación ? Para comenzar a entender ascensor debemos revisar primero y tercero las leyes de Newton . ( . Vamos a introducir la segunda ley de Newton un poco más tarde ) la primera ley de Newton dice :

Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo , o un cuerpo en movimiento continuará en movimiento en línea recta a menos que se somete a una fuerza aplicada externa .

Eso significa que , si uno ve una curva del flujo de aire , o si el aire originalmente en reposo es acelerado en el movimiento , una fuerza está actuando sobre el mismo.

La tercera ley de Newton establece que : Por cada acción hay una reacción igual y opuesta.

A modo de ejemplo, un objeto que se sienta en una mesa ejerce una fuerza sobre la mesa ( su peso ) y la mesa pone una fuerza igual y opuesta en el objeto para sostenerlo . Con el fin de generar la elevación de un ala debe hacer algo al aire. Lo que el ala hace que el aire es la acción , mientras que la elevación es la reacción.

Vamos a comparar dos cifras utilizadas para mostrar las líneas de corriente más de un ala. En la figura 4 el aire viene directamente en el ala, se dobla alrededor de ella , y luego se va justo detrás del ala. Todos hemos visto imágenes similares , incluso en los manuales de vuelo . Pero , el aire sale del ala exactamente como aparece delante del ala . No hay acción neta sobre el aire por lo que no puede haber ningún ascensor! La figura 5 muestra las líneas de corriente , ya que deben elaborarse . El aire pasa sobre el ala y se agachó . La primera ley de Newton dice que debe haber una fuerza sobre el aire para doblar hacia abajo ( la acción ) . La tercera ley de Newton dice que debe haber una fuerza igual y opuesta ( hacia arriba) en el ala ( la reacción) . Para generar la elevación de un ala debe desviar una gran cantidad de aire hacia abajo .

El ascensor de un ala es igual al cambio en el momento de que el aire se está desviando hacia abajo.

El momento es el producto de la masa y la velocidad ( MV ) . La forma más común de la segunda ley de Newton es F = ma , o fuerza igual a masa por aceleración . La ley en esta forma da la fuerza necesaria para acelerar un objeto de una cierta masa . Una forma alternativa de la segunda ley de Newton se puede escribir :

El ascensor de un ala es proporcional a la cantidad de aire que desvía los tiempos de la vertical, la velocidad de ese aire .

Es así de simple . Para más sustentación del ala puede o bien desviar la mayor cantidad de aire (masa ) , aumentar su velocidad vertical o una combinación de los dos. Esta velocidad vertical detrás del ala es la componente vertical de la " descendente " . La figura 6 muestra cómo aparece la caída de flujo para el piloto (o en un túnel de viento ) . La figura también muestra cómo aparece la caída de flujo para un observador en el suelo mirando el ala pasar. Para el piloto el aire viene de la banda más o menos al ángulo de ataque y menos a la velocidad del avión. Para el observador en el suelo, si él o ella pudo ver el aire, estaría saliendo del ala casi verticalmente a una velocidad relativamente lenta. Cuanto mayor es el ángulo de ataque del ala mayor es la velocidad vertical del aire. Del mismo modo, para un determinado ángulo de ataque , mayor será la velocidad de la banda mayor es la velocidad vertical del aire . Tanto el aumento en la velocidad y el aumento del ángulo de ataque aumentan la longitud de la velocidad de flecha vertical . Esta es la velocidad vertical que da la elevación del ala.

Como se ha dicho , un observador en la tierra iba a ver el aire que va casi en línea recta hacia abajo por detrás del plano . Esto se puede demostrar mediante la observación de la columna ajustado de aire detrás de una hélice , un ventilador de casa , o en virtud de los rotores de un helicóptero ; todos los cuales son alas de rotación . Si el aire se viene de las palas en un ángulo del aire produciría un cono en lugar de una columna apretada. El ala desarrolla elevación mediante la transferencia de impulso para el aire. Para el vuelo recto y nivelado este impulso finalmente golpea la tierra. Si un avión fuera a sobrevolar a muy gran escala , la escala pesaría el avión.

Hagamos un cálculo back- of-the- sobre para ver la cantidad de aire de un ala podría desviar . Tomemos, por ejemplo, un Cessna 172 que pesa alrededor de 2.300 libras ( 1.045 kg). Viajando a una velocidad de 140 mph (220 km / h) , y suponiendo un ángulo efectivo de ataque de 5 grados , se obtiene una velocidad vertical del aire de alrededor de 11,5 mph (18 km / h) a la derecha en el ala. Si asumimos que la velocidad vertical media del aire desviado es un medio de que el valor se calcula a partir de la segunda ley de Newton de que la cantidad de aire desviado es del orden de 5 toneladas / s . Por lo tanto , un Cessna 172 en crucero está desviando aproximadamente cinco veces su propio peso en el aire por segundo para producir ascensor. Piense en la cantidad de aire es desviado por una de 250 toneladas Boeing 777.

Desviar tanto por aire es un fuerte argumento en contra de la elevación de ser sólo un efecto de superficie (es sólo una pequeña cantidad de aire alrededor de las cuentas de las alas para el ascensor) , como lo implica la explicación popular. De hecho , con el fin de desviar las 5 ton / seg el ala del Cessna 172 que acelerar todo el aire dentro de los 18 pies ( 7,3 m) por encima del ala. Hay que recordar que la densidad del aire a nivel del mar es de aproximadamente 2 libras por yarda cúbica (aproximadamente 1 kg por metro cúbico). La Figura 7 ilustra el efecto del aire se desvíe hacia abajo desde un ala . Un enorme agujero se perfora a través de la niebla por la corriente descendente desde el avión que acaba de volar por encima.

Entonces, ¿cómo un ala delgada desviar tanto aire ? Cuando el aire se dobla alrededor de la parte superior del ala , que tira en el aire por encima de ella que la aceleración de aire hacia abajo . De lo contrario no habría huecos en el aire por encima del ala. Aire es forzado desde arriba. Esto hace que la presión tirando de convertirse baja sobre el ala . Es la aceleración del aire sobre el ala en la dirección descendente que da ascensor. (¿Por qué el ala se dobla el aire con la fuerza suficiente para generar la elevación será discutido en la siguiente sección . )

Normalmente, se considera el flujo de aire sobre el ala en el marco de referencia del ala. En otras palabras , para el piloto el aire se está moviendo y el ala está parado . Ya hemos dicho que un observador en la tierra iba a ver el aire que sale de la banda casi verticalmente . Pero, ¿qué es el aire que hace debajo del ala? La Figura 8 muestra una instantánea instantánea de cómo las moléculas de aire se mueven como un ala pasa por . Recuerde en esta figura el aire está inicialmente en reposo y que es el movimiento del ala . Flecha " 1 " se convertirá en flecha " 2 " y así sucesivamente . Por delante de la vanguardia , el aire se mueve hacia arriba

( upwash ) . En el borde de salida , el aire se desvía hacia abajo ( flujo descendente ) . Sobre la tapa el aire se acelera hacia el borde de salida . Por debajo, el aire se acelera un poco hacia adelante . Muy por detrás del ala el aire va directamente hacia abajo.

Así que , ¿por qué el aire siguen este patrón? En primer lugar , tenemos que tener en cuenta que el aire es considerado un fluido incompresible para el vuelo a baja velocidad. Eso significa que no puede cambiar su volumen y que hay una resistencia a la formación de huecos . Ahora el aire ha sido acelerado en la parte superior de la banda por el de la reducción de la presión . Esta toma aire de delante del ala y expulsa si atrás y hacia abajo detrás del ala . Este aire debe compensarse , por lo que los cambios de aire alrededor del ala para llenar pulg Esto es similar a la circulación de las aguas en torno a un remo de canoa . Esta circulación alrededor del ala no es más la fuerza motriz para el ascensor en el ala que es la circulación en el agua conduce la paleta. Sin embargo, es cierto que si uno es capaz de determinar la circulación alrededor de un ala de la elevación del ala se puede calcular . Ascensor y la circulación son proporcionales entre sí .

Una observación que se puede hacer de la Figura 8 es que la superficie superior del ala hace mucho más para mover el aire de la parte inferior . Así que la parte superior es la superficie más crítica . De este modo, los aviones pueden llevar a las tiendas externas, tales como tanques de gota , bajo las alas , pero no en la parte superior donde se interferirían con ascensor. Por eso también soportes de las alas bajo el ala son frecuentes, pero los puntales en la parte superior del ala han sido históricamente rara . Un puntal , o cualquier obstrucción, en la parte superior del ala interferirían con el ascensor.

Aire Doblado hacia un ala

Como siempre, las declaraciones simples suelen dar lugar a más preguntas. Una pregunta natural es ¿por qué la curva de aire alrededor del ala? Esta pregunta es probablemente la pregunta más difícil en la comprensión de vuelo y es uno de los conceptos clave.

Comencemos primero mirando una simple demostración . Ejecute un pequeño chorro de agua de un grifo y traer un vaso de agua horizontal hacia él hasta que toque el agua, como en la figura 9 . Como en la figura, el agua se ajustará hasta la mitad alrededor del vidrio . Desde primera ley de Newton sabemos que para el flujo de agua para doblar debe haber una fuerza sobre el mismo . La fuerza es en la dirección de la curva .

Desde la tercera ley de Newton sabemos que tiene que haber una fuerza igual y opuesta que actúa sobre el vidrio. La corriente de agua pone en una fuerza en el cristal que trata de sacar a la corriente, lo empuje lejos como se podría esperar primero.

Así que ¿por qué la curva de agua alrededor de la copa, o el aire sobre un ala ? Consideremos en primer lugar el vuelo a baja velocidad. En vuelo a baja velocidad de las fuerzas en el aire y las presiones asociadas son tan bajos que el aire no sólo se considera un fluido , pero un fluido incompresible . Esto significa que el volumen de una masa de aire se mantiene constante y que los flujos de aire no se separan una de la otra para formar huecos (gaps ) . Un segundo punto a entender es que las líneas de corriente se comunican entre sí . Una línea de corriente , en vuelo en estado de equilibrio , puede ser visto como la trayectoria de una partícula en el aire en movimiento. Es el camino de un objeto pequeño , luz tardaría en el flujo de aire sobre el ala. La comunicación entre las líneas de corriente es una expresión de la presión y la viscosidad . La presión es la fuerza por área que el aire ejerce sobre la línea de corriente vecinos . Viscosidad en un gas o líquido corresponde a la fricción entre los sólidos .

Piensa en dos líneas de corriente adyacentes con diferentes velocidades. Desde estas líneas de corriente tienen diferentes fuerzas de velocidades entre ellos tratando de acelerar la línea de corriente más lenta y ralentizar el más rápido a simplificar . La velocidad de aire en la superficie del ala es exactamente cero con respecto a la superficie del ala . Esta es una expresión de la viscosidad . La velocidad del aire aumenta con la distancia desde el ala como se muestra en la Figura 10 . Ahora imagine la primera velocidad aerodinámica no cero que sólo roza el punto álgido de la parte superior del ala. Si fuera un principio para ir hacia atrás y no sigue el ala , no habría un volumen de cero la velocidad del aire entre ella y el ala. Fuerzas sería despojar a este aire lejos del ala y sin una línea de corriente para sustituirlo, la presión bajarían . Esta disminución de la presión se doblaría la línea de corriente hasta que se siguió a la superficie del ala .

La siguiente línea de corriente arriba se inclinó para seguir la primera por el mismo proceso , y así sucesivamente .

Las líneas de corriente aumentan su velocidad con la distancia desde el ala de una distancia corta. Esto es del orden de 6 pulgadas ( 15 cm ) en el borde de salida del ala de un Airbus A380 . Esta región de cambiar rápidamente la velocidad del aire es la capa límite . Si la capa límite no es turbulento , se dice que el flujo de ser laminar.

Por lo tanto , las líneas de corriente están dobladas por una disminución de la presión . Es por ello que el aire se inclinó por la parte superior del ala y por qué se reduce la presión sobre el ala . Esta baja disminución de presión con la distancia por encima de la banda , pero es la base de la elevación en un ala . La disminución de la presión se propaga a la velocidad del sonido , causando una gran cantidad de aire para doblar alrededor del ala .

Dos líneas de corriente se comunican en una escala molecular. Esta es una expresión de la presión y la viscosidad del aire . Sin viscosidad no habría comunicación entre las líneas de corriente y no de la capa límite . A menudo , los cálculos de la elevación se hacen en el límite de la viscosidad cero. En estos casos viscosidad se re - introduce implícitamente con la condición de Kutta - Joukowski , que requiere que el aire entre suavemente por el borde de salida del ala . Además, los cálculos requieren que el aire sigue la superficie del ala que es otra introducción de los efectos de la viscosidad . Un resultado de la eliminación casi total de la viscosidad de los cálculos es que no hay ninguna capa límite calculado .

Cabe señalar que la velocidad del flujo uniforme sobre la parte superior del ala es más rápido que la velocidad de corriente libre , que es la velocidad del aire no perturbado a cierta distancia de la banda . La flexión del aire causa la reducción en la presión sobre el ala . Esta reducción en la presión provoca una aceleración del aire . A menudo se enseña que la aceleración del aire causa una reducción en la presión . De hecho , es la reducción de la presión que acelera el aire de acuerdo con la primera ley de Newton .

Veamos el aire de flexión alrededor del ala en la Figura 11 . Para doblar el aire requiere de una fuerza. Como se indica por las flechas de color , la dirección de la fuerza en el aire es perpendicular a la curva en el aire . La magnitud de la fuerza es

proporcional a la tensión de la curva. Cuanto más apretado el aire se dobla la mayor es la fuerza sobre el mismo . Las fuerzas sobre el ala , como se muestra por las flechas negras en la figura, tienen la misma magnitud que las fuerzas sobre el aire, pero en la dirección opuesta . Estas fuerzas , a través de la presión de trabajo , representan el mecanismo en el que la fuerza se transfiere a el ala.

Mira otra vez en la figura 11, prestando atención a las flechas negras que representan las fuerzas sobre el ala. Hay dos puntos para darse cuenta. La primera es que la mayor parte de el ascensor está en la parte delantera del ala. De hecho , la mitad de la elevación total en un ala a velocidades subsónicas se produce típicamente en la primera de un cuarto de la longitud de cuerda . El acorde es la distancia desde el borde de ataque al borde de salida del ala . La segunda cosa a notar es que las flechas en la parte de ataque del ala se inclina hacia adelante. Así, la fuerza de sustentación está tirando de la banda a lo largo , así como levantarla. Esto sería bueno si fuera la historia completa . Por desgracia , las fuerzas horizontales en la parte posterior del ala compensan las fuerzas horizontales en la parte de ataque del ala .

Ahora tenemos las herramientas para entender por qué un ala se levante . En breve , el aire se dobla alrededor de la producción de la corriente descendente del ala . La primera ley de Newton dice que la flexión del aire se requiere una fuerza en el aire, y la tercera ley de Newton dice que hay una fuerza igual y opuesta en el ala. Esa es una descripción 8 de ascensor. La diferencia de presión a través de la banda es el mecanismo de elevación en el que se transfiere a la banda debido a la flexión del aire .

ASCENSOR COMO UNA FUNCIÓN DEL ÁNGULO DE ATAQUE

Hay muchos tipos de ala : convencional , simétricas , convencionales en vuelo invertido , las alas del biplano principios que parecían tablas combadas , e incluso el proverbial " puertas de granero " . En todos los casos , el ala está forzando el aire hacia abajo, o tirando con más precisión el aire desde arriba. ( Aunque los primeros alas tenía una contribución significativa desde la parte inferior . ) Lo que cada uno de estas alas tiene en común es un ángulo de ataque con respecto al aire en dirección contraria . Es el ángulo de ataque que es el parámetro principal en la determinación de ascensor.

Para entender mejor el papel de el ángulo de ataque es útil para introducir un ángulo " eficaz " de ataque , definido de tal manera que el ángulo del ala para el aire en dirección contraria que da elevación cero se define como cero grados . Si uno entonces cambia el ángulo de ataque , tanto arriba y abajo se encuentra que el ascensor es proporcional al ángulo . La figura 12 muestra el ascensor de un ala típica como una función del ángulo efectivo de ataque . Una elevación similares en función del ángulo de ataque se encontró relación de todas las alas , con independencia de su diseño. Esto es cierto para el ala de un 747, un ala invertida , o la mano por la ventanilla del coche. El ala invertida se puede explicar por su ángulo de ataque, a pesar de la aparente contradicción con la explicación popular de ascensor. Un piloto ajusta el ángulo de ataque para ajustar la elevación de la velocidad y la carga. La función del ángulo de ataque es más importante que los detalles de las alas dan forma a la comprensión de ascensor. La forma entra en juego en la comprensión de las características del puesto y de arrastrar a gran velocidad.

Se puede ver en la figura que el ascensor es directamente proporcional al ángulo efectivo de ataque.

El ascensor es positivo ( hacia arriba) cuando el ala se inclina hacia arriba y negativo ( hacia abajo) cuando se inclina hacia abajo. Cuando se corrige para el área y la relación de aspecto , una parcela de la elevación como una función del ángulo efectivo de ataque es esencialmente la misma para todas las alas y todas las alas invertida . Esto es cierto hasta que el ala se acerca a un puesto. El puesto comienza en el punto donde el ángulo de ataque se hace tan grande que el flujo de aire empieza a separarse del borde de salida del ala . Este ángulo se denomina ángulo crítico de ataque y se marca en la figura. Esta separación del flujo de aire desde la parte superior del ala es un puesto .

EL ALA COMO EL AIRE " SCOOP VIRTUALES VIRTUAL"

Ahora nos gustaría introducir una nueva imagen mental de un ala. Uno se utiliza para pensar en un ala como una hoja delgada que divide por el aire y se desarrolla a levantar un poco de magia. Para ello nos gustaría adoptar una ayuda visualización de mirar el ala como una bola virtual que intercepta una cierta cantidad de aire y lo desvía al ángulo de la corriente descendente . Esto no pretende dar a entender que existe una verdadera primicia, física con límites claramente definidos , y el flujo uniforme. Pero esta ayuda visualización sí permite una comprensión más clara de cómo el aire desviado cantidad se ve afectada por la velocidad y la densidad. El concepto de la primicia virtual tiene una base física real, pero más allá del alcance de este trabajo.

La cucharada Virtual desvía una cierta cantidad de aire desde la horizontal hasta más o menos el ángulo de ataque , como se muestra en la Figura 13 . Por las alas de los aviones típicos es una buena aproximación a decir que la zona de la pala virtual es proporcional al área del ala. La forma de la pala virtual es aproximadamente elíptica para todas las alas , como se muestra en la figura. Desde el ascensor del ala es proporcional a la cantidad de aire desviada , la elevación de la también es proporcional al área del ala.

Como se dijo antes , la elevación de un ala es proporcional a la cantidad de aire desviado hacia abajo veces la velocidad vertical del que el aire . Como un avión aumenta la velocidad , la primicia virtuales desvía más aire. Dado que la carga en el ala no aumenta , la velocidad vertical del aire desviado se debe disminuir proporcionalmente . Por lo tanto , el ángulo de ataque se reduce para mantener una elevación constante . Cuando el avión va más alto , el aire se vuelve menos denso por lo que la cuchara de Virtual desvía menos aire a una velocidad dada . Por lo tanto , para compensar el ángulo de ataque debe ser aumentado. Los conceptos de esta sección serán utilizados para comprender la elevación de una manera que no es posible con la explicación popular.

ASCENSOR REQUIERE PODER

Cuando un avión pasa por encima del todavía ganancias de aire una velocidad formalmente hacia abajo. Por lo tanto , el aire se deja en movimiento después de las hojas de avión. El aire se le ha dado la energía . El poder es la energía, o el trabajo, por el tiempo. Así , ascensor requiere energía . Esta energía es suministrada por el motor del avión ( o por la gravedad y térmicas para un planeador ) .

¿Cuánta energía necesitaremos para volar? Si se dispara una bala con una masa , m, y una velocidad , v , la energía dada a la bala es simplemente ½ mv2 . Del mismo modo , la energía emitida al aire por el ala es proporcional a la cantidad de aire desviado hacia abajo veces la velocidad vertical cuadrado de que el aire desviado . Ya hemos dicho que el ascensor de un ala es proporcional a la cantidad de veces de aire desviado la velocidad vertical de ese aire . Por lo tanto , la potencia necesaria para levantar el avión es proporcional a la carga ( o el peso ) veces la velocidad vertical del aire . Si se duplica la velocidad del avión, la cantidad de aire que desvía hacia abajo también funciona . Así, para mantener una elevación constante , el ángulo de ataque debe ser reducida para dar una velocidad vertical que es la mitad de la original. La potencia necesaria para la elevación se ha reducido a la mitad . Esto muestra que la potencia necesaria para la elevación se vuelve menos como la velocidad del avión

aumenta . De hecho , hemos demostrado que este poder para crear la elevación es proporcional a 1/speed del avión.

Pero , todos sabemos que para ir más rápido ( en crucero ) debemos aplicar más potencia. Así que debe haber algo más de potencia que la potencia necesaria para la elevación . La potencia asociada con ascensor es a menudo llamado el poder " inducida " . También se necesita energía para superar lo que se llama arrastre " parásito " , que es el arrastre asociado con el movimiento de las ruedas , amortiguadores , antena, etc a través del aire . La energía del avión imparte a una molécula de aire en el impacto es proporcional a la velocidad2 ( desde ½ mv 2 ) . El número de moléculas afectadas por unidad de tiempo es proporcional a la velocidad . El que más rápido va la más alta es la tasa de impactos. De este modo el poder del parásito requiere para superar la resistencia aumenta de parásitos como el speed3 .

La figura 14 muestra las " curvas de potencia " para poder inducida , el poder del parásito , y la potencia total (la suma de la energía inducida y el poder del parásito ) . Una vez más, el poder inducida va como 1/speed y el poder del parásito va como la speed3 . A baja velocidad de los requisitos de potencia de vuelo están dominados por la potencia inducida. El uno más lento vuela el menos aire se desvía y por lo tanto el ángulo de ataque debe aumentarse para aumentar la velocidad vertical del que el aire . Los pilotos practican volar sobre la " parte de atrás de la curva de potencia " para que reconozcan que el ángulo de ataque y la potencia necesaria para mantenerse en el aire a velocidades muy bajas son considerables.

En crucero, el requerimiento de energía está dominado por el poder del parásito. Dado que este uno va como la velocidad de un aumento en el tamaño del motor da una mayor velocidad de subida pero hace poco para mejorar la velocidad de crucero del avión. Duplicando el tamaño del motor sólo aumentará la velocidad de crucero en aproximadamente 25%.

Puesto que ahora sabemos cómo los requisitos de alimentación varía con la velocidad, podemos entender la fricción, que es una fuerza. Arrastre es simplemente de potencia dividido por la velocidad. La figura 14 muestra el inducido, parásito, y arrastre total en función de la velocidad. Aquí la resistencia inducida varía en 1/speed2 y arrastre parásito varía como el speed2. Echando un vistazo a estas cifras se puede deducir algunas cosas sobre cómo los aviones están diseñados. Aviones más lentos, como los planeadores, están diseñados para minimizar la energía inducida, que domina a velocidades más bajas. Aviones propulsados por hélice más rápidas están más preocupados por el poder del parásito, y los jets son dominadas por la resistencia parásita. (Esta distinción se encuentra fuera del alcance de este artículo.)

EFICIENCIA DEL ALA

En crucero, una cantidad no despreciable de la resistencia aerodinámica de un ala moderna se induce resistencia. Parásito arrastre de un ala de Boeing 747 es sólo equivalente a la de un cable de 1/2-pulgada de la misma longitud . Uno podría preguntarse lo que afecta a la eficiencia de un ala. Vimos que la potencia inducida de un ala es proporcional a la velocidad vertical del aire . Si el área de un ala se aumentara , el tamaño de nuestra cucharada virtual también se incrementaría , desviar más aire . Así , para la misma elevación de la velocidad vertical ( y por lo tanto el ángulo de ataque ) tendrían que ser reducida . Dado que la potencia inducida es proporcional a la velocidad vertical del aire , sino que también se reduce . Por lo tanto , la eficiencia de levantamiento de un ala aumenta al aumentar la superficie alar . Cuanto mayor sea el ala de la potencia menos inducida requerida para producir el mismo ascensor , aunque esto se consigue con y aumentar en la resistencia parásita .

Hay una idea errónea de algunos de que levante no requiere energía. Esto viene de la aeronáutica en el estudio de la teoría idealizada de secciones de ala ( planos aerodinámicos ). Cuando se trata de un perfil aerodinámico , el cuadro es en realidad la de un ala con envergadura infinita. Hemos visto que la potencia necesaria para la disminución de elevación con el aumento de área del ala. Un ala de envergadura infinita no requiere de energía para la elevación , ya que desarrolla la elevación al desviar una cantidad infinita de aire a una velocidad cercana a cero . Si el elevador no requería aviones energía tendrían el mismo rango completo como lo hacen vacíos, y los helicópteros podían flotar a cualquier altitud y carga. Lo mejor de todo , las hélices (que son alas rotatorias ) no requeriría mucha energía para producir empuje . Por desgracia , vivimos en el mundo real, donde tanto de elevación y la propulsión requieren energía .

PODER Y LA CARGA ALAR

Ahora vamos a considerar la relación entre la carga alar y el poder. A una velocidad constante , si se aumenta la carga alar la velocidad vertical de la corriente descendente se debe aumentar para compensar. Esto se logra mediante el aumento del ángulo de ataque del ala . Si se duplica el peso total del avión ( por ejemplo , en un giro 2g ) , y la velocidad se mantiene constante , la velocidad vertical del aire se duplica para compensar el aumento de la carga del ala . La potencia inducida es proporcional a los tiempos de carga de la velocidad vertical del aire desviado, que se han duplicado tanto .

Por lo tanto el requisito de potencia inducida ha aumentado por un factor de cuatro ! Así potencia inducida es proporcional a la carga.

Una forma de medir la potencia total es mirar a la tasa de consumo de combustible. La figura 16 muestra el consumo de combustible en comparación con el peso bruto de un gran avión de carga que viaja a una velocidad constante (obtenido a partir de datos reales ) . Puesto que la velocidad es constante el cambio en el consumo de combustible es debido al cambio en la energía inducida . Los datos se ajustan por una constante (potencia parásita) y un término que va como la carga. Este segundo término es justo lo que se predijo en nuestra discusión newtoniana del efecto de la carga en la fuente inducido.

El aumento en el ángulo de ataque con aumento de la carga tiene una desventaja que no sea sólo la necesidad de más potencia. Como se muestra en la Figura 12 un ala eventualmente detener cuando el aire ya no puede seguir a la superficie superior. Es decir, cuando se alcanza el ángulo crítico. La figura 17 muestra el ángulo de ataque como una función de la velocidad aerodinámica para una carga fija y por un 2-g su vez. El ángulo de ataque en el que el plano de puestos es constante y no es una función de la carga alar. El ángulo de ataque aumenta a medida que la carga y la velocidad de pérdida aumenta a medida que la raíz cuadrada de la carga. Por lo tanto, el aumento de la carga en un 2-g su vez aumenta la velocidad a la que el ala se detendrá por 40%. Un aumento de la altitud aumentará aún más el ángulo de ataque en un 2-g turno. Es por eso que los pilotos practican "puestos acelerados", que pone de manifiesto que un avión puede en pérdida a cualquier velocidad, ya que para cualquier velocidad hay una carga que inducirá un puesto .

VÓRTICES EN LAS ALAS

Uno podría preguntarse cuál es la corriente descendente de un ala se parece. La caída de flujo sale de la banda como una hoja y se relaciona con los detalles sobre la distribución de la carga en el ala. La figura 14 muestra , a través de la condensación , la distribución de ascensor en un avión durante una maniobra de alta - g . De la figura se puede ver que la distribución de la carga cambia de la raíz del ala a la punta. Por lo tanto , la cantidad de aire en la caída de flujo también debe cambiar a lo largo del ala . El ala cerca de la raíz es " sacar con pala virtual" hasta mucho más aire que la punta. Desde el ala cerca de la raíz está desviando tanto aire el efecto neto es que la hoja de la caída de flujo comenzará a curvarse hacia el exterior alrededor de sí mismo , al igual que las curvas de aire alrededor de la parte superior del ala debido al cambio en la velocidad del aire . Este es el vórtice del ala . La estanqueidad de la ondulación de la vórtice ala es proporcional a la tasa de cambio en la elevación

a lo largo del ala. En la punta del ala del ascensor debe convertirse rápidamente cero causando el rizo más apretado . Este es el torbellino de punta de ala y es sólo una pequeña (aunque a menudo más visible ) parte del vórtice del ala.

Volviendo a la figura 7 se puede ver claramente el desarrollo de los vórtices de las alas en la caída de flujo , así como los vórtices de punta de ala .

Winglets (esas pequeñas extensiones verticales en las puntas de algunos alas) se utilizan para mejorar la eficiencia del ala mediante el aumento de la longitud efectiva, y por lo tanto el área, del ala. El ascensor de un ala normal debe ir a cero en el extremo porque la parte inferior y la parte superior se comunican en todo el final. Los bloques de aleta esta comunicación por lo que el ascensor se pueden extender más lejos en el ala. Dado que la eficiencia de un ala se incrementa con la zona, esto le da una mayor eficiencia. Una advertencia es que el diseño de aleta es complicado y winglets en realidad puede ser perjudicial si no se diseña correctamente.

EFECTO SUELO

El concepto de efecto de suelo es bien conocido por los pilotos. Este efecto es el aumento de la eficiencia de un ala como se trata dentro de aproximadamente la longitud de un ala de la planta. El efecto aumenta con la reducción de la distancia al suelo . Un avión de ala baja experimentará una reducción en la resistencia inducida de hasta un 50 por ciento antes de touchdown. Esta reducción en la resistencia por encima de una superficie es utilizada por aves de gran tamaño , que a menudo se pueden ver volando justo por encima de la superficie del agua.

Los pilotos que sacan de gramíneas profundo o suaves pistas también utilizan el efecto suelo . El piloto es capaz de levantar el avión fuera de la superficie suave a una velocidad demasiado lenta para mantener el vuelo sin efecto de suelo . Esto reduce la resistencia en las ruedas y permite que el avión para acelerar a una velocidad más alta antes de subir sin efecto de suelo .

¿Cuál es la causa de esta reducción de la fricción? Hay dos contribuciones que pueden ser acreditados con la reducción en el arrastre. El suelo influye en el campo de flujo alrededor del ala que, para un determinado ángulo de ataque, aumenta el ascensor. Pero , al mismo tiempo , hay una reducción en la caída de flujo . Cabe suponer que esta elevación adicional debe provenir de un aumento en la presión entre el ala y el suelo. Además, dado que la elevación se incrementa para un determinado ángulo de ataque, el ángulo de ataque puede ser reducido por el mismo ascensor , lo que resulta en menos corriente descendente y menos arrastre inducido.

Efecto suelo introduce un cambio fundamental de la discusión de vuelo en la altura. Cuando hay término está presente, la relación entre sustentación, resistencia y corriente descendente es sencillo. Pero , cerca del suelo , hay una acción - reacción entre el ala, el aire y el suelo . En la altura de la planta es tan distante que no existe este efecto. Cerca del suelo esta interacción ayuda a producir ascensor y reducir la caída de flujo debido a un aumento en la presión por debajo de la ala. Los detalles de efecto suelo son extremadamente complejas . La mayoría de los textos aeroespaciales dedicar un párrafo o dos, y no tratan de describir en profundidad. La verdad es que mucho está cambiando en efecto suelo que es difícil de describir, señalando a un solo cambio en el flujo de aire o un término de una ecuación. No existe una manera sencilla de describir cómo el flujo de aire se ajusta para satisfacer el cambio en las condiciones.

CONCLUSIONES

Revisemos lo que hemos aprendido y tener una idea de la forma en la descripción física nos ha dado una mayor capacidad para entender el vuelo. En primer lugar lo que hemos aprendido :

• La cantidad de aire desviada por el ala es proporcional a la velocidad de las bandas y la densidad del aire .

• La velocidad vertical del aire desviado es proporcional a la velocidad de la banda y el

ángulo de ataque.

• El ascensor es proporcional a la cantidad de veces de aire desviado la velocidad vertical del aire .

• La potencia necesaria para la elevación es proporcional a los tiempos de elevación de la velocidad vertical del aire.

Ahora echemos un vistazo a algunas situaciones desde el punto de vista físico y desde el punto de vista de la explicación popular.

• Se reduce la velocidad del avión . La vista físico dice que la cantidad de aire desviado es reducido para el ángulo de ataque se incrementa para compensar. La energía necesaria para la elevación también se incrementa . La explicación popular no puede hacer frente a esto.

• La carga del avión se incrementa . La vista físico dice que la cantidad de aire desviada es la misma pero el ángulo de ataque se debe aumentar para dar elevación adicional . La energía necesaria para la elevación también ha aumentado. Una vez más, la explicación popular no puede abordar este .

• Un avión vuela al revés. El punto de vista físico no tiene ningún problema con esto. El avión se ajusta el ángulo de ataque del ala invertida para dar la altura deseada . La explicación popular implica que vuelo invertido es imposible.

Como se puede ver , la explicación popular, que se fija en la forma del ala, puede satisfacer a muchos, pero no dar una de las herramientas para entender realmente el vuelo. La descripción física de ascensor es fácil de entender y mucho más potente.