Essa questão discute como a turbulência da esteira pode afetar os aviões que voam em formação. Isso me fez pensar: como as aeronaves (as asas em particular) formam turbulência para começar? Não pode ser tão simples quanto vórtices de ponta, certo?
Como acompanhamento, como você pode projetar uma aeronave para minimizar a turbulência da esteira? E quais são as vantagens em fazer isso?
Origem dos vórtices
A turbulência da vigília é fácil de entender quando você sabe como uma asa cria sustentação: desviando o ar que flui através dela para baixo. No esta resposta, Eu tinha usado a simplificação de apenas acelerar para baixo todo o ar que flui através de um círculo com um diâmetro igual à envergadura e deixando todo o outro ar inalterado.
Isso ajuda a entender o princípio da criação de elevação, mas é muito simples, é claro, porque o movimento descendente do ar criará um vazio acima dele, e o ar abaixo deve dar lugar a esse tubo de corrente em movimento descendente. Além disso, o campo de pressão ao redor da asa também afetará o ar nas proximidades do tubo de fluxo e, consequentemente, o ar de baixo será empurrado para o lado já pela asa, e o ar acima começará a fluir em direção à área de baixa pressão sobre a asa. Esse movimento lateral se tornará mais pronunciado à popa da asa, de modo que o ar seja continuamente pressionado para fora abaixo do rastro da asa, mova-se para a esquerda e direita dele e para dentro acima do rastro. A inércia do lavador de roupas mantém-no se movendo para baixo por vários minutos, deslocando continuamente o ar abaixo dele e sugando mais ar para o espaço acima, e isso resultará em dois vórtices girando atrás da asa. Esta é a rolagem do velório (veja o desenho abaixo, tirado de esta fonte).
Os vórtices são apenas uma conseqüência do movimento descendente da esteira, e isso, por sua vez, é uma conseqüência da criação do elevador. Observe que os núcleos dos vórtices estão mais próximos que a envergadura! Isso, por si só, deve deixar claro que eles não são causados pelo ar que flui em torno das pontas das asas, um equívoco difícil de extinguir. A tabela abaixo fornece cálculos desse espaçamento do vórtice.
A tabela também é do Papel carten de 1971; observe a inclusão do projeto 2707 da Boeing!
Força dos vórtices
Se voltarmos novamente à aproximação simplificada do tubo de corrente, a elevação é proporcional à massa de ar que flui através dela por unidade de tempo vezes o ângulo de deflexão. Se a sustentação for igual à massa da aeronave (como deveria ser), as aeronaves pesadas precisam acelerar mais ar (maior alcance) ou acelerar mais o ar (maior ângulo de deflexão) do que as aeronaves leves na mesma velocidade. Um ângulo de deflexão mais alto produzirá vórtices mais poderosos. Por esse motivo, uma aeronave pesada em baixa velocidade e com uma envergadura pequena produzirá os vórtices mais fortes.
Como mais ar flui através do tubo de fluxo a uma velocidade de vôo mais alta, voar mais rápido exigirá menos deflexão, tornando os vórtices de esteira mais fracos. Se a aeronave subir, o ar se tornará menos denso com a altitude e haverá menos fluxo de massa sobre a asa, de modo que os vórtices ficarão mais fortes se a velocidade do vôo não mudar. Normalmente, a aeronave acelera ao subir e a força do vórtice permanece a mesma se a aeronave voa a pressão dinâmica constante.
Os vórtices podem ser evitados de três maneiras:
Fim dos vórtices
A inércia manterá a esteira se movendo para baixo e os vórtices girando, mas o atrito permitirá que esses movimentos do ar diminuam em alguns minutos. Se a aeronave voa alto, a esteira é dissipada muito antes de atingir o solo. A esteira de aeronaves voando baixo, no entanto, atinge o solo e é desviada. O tubo de vórtice agora age como uma roda e começa a se mover para fora e, se houver um vento cruzado suficiente, o vórtice de barlavento pode ser preso como no esboço à direita abaixo (também no relatório Carten).
Evidência fotográfica
Há muito muitas fotos bonitas ao redor de vórtices para não incluir alguns, então vou adicionar alguns aqui:
Você pode ver que os esteiras externas dos motores deste Boeing 747 envolvem as esteiras dos motores internos. Isso mostra como o ar é empurrado para baixo na sequência da asa e que os centros dos vórtices estão levemente dentro dos motores externos.
Os traços de condensação originados nas pontas das asas deste A340 movem-se para cima e para cima, mostrando novamente que o vórtice não se origina das pontas, mas se forma atrás da asa e com uma distância entre os dois núcleos do vórtice substancialmente menor que a envergadura.
Essas duas imagens mostram como a lavagem da esteira está cortando um sulco nas nuvens.
MD-11 em um dia úmido, abas definidas para o pouso. Um, mostra o quão insignificante o vórtice da ponta é comparado à vorticidade derramada nas pontas do retalho; e o segundo mostra como o vórtice da ponta se move para dentro e começa a ser sugado pelo vórtice da esteira. Observe também os vórtices da ponta da cauda!
É tão simples quanto os vórtices da "ponta", mas isso é um nome impróprio.
Os vórtices das asas não são realmente causados pelas "pontas". São efeitos inerentes à geração de sustentação sobre envergadura finita. Para gerar sustentação (uma força no avião), a aeronave aplica força no ar circundante (pela terceira lei de Newton). Como o ar é livre para se mover, essa força o acelera (de acordo com a segunda lei de Newton) para baixo. Devido à maneira como os fluidos funcionam, a força afeta o ar acima e abaixo da asa (em altura comparável à envergadura), mas não nas laterais.
Então, logo atrás do avião, temos ar que está descendo e nas laterais, ar que permanece parado. E estes são os vórtices das asas. Veja também John S. Denker: Como ele voa, seção 3.14.
Existe uma ligeira corrente ascendente do lado de fora das pontas das asas causada pelo fluxo transversal ao redor da ponta da asa, mas apenas contribui com uma pequena fração (no máximo alguns por cento) da circulação e do arrasto associado. Há também alguma turbulência causada pelo simples movimento do ar a uma velocidade suficiente, mas isso é comparativamente menor também.
A inércia que a aeronave deve transmitir ao ar ao longo da unidade de tempo é proporcional ao peso da aeronave. Portanto, a turbulência atrás de aeronaves mais pesadas é mais forte.
Se a aeronave voa mais rápido, afeta mais ar por unidade de tempo, portanto basta acelerá-la para diminuir a velocidade. Portanto, a turbulência atrás de aeronaves voadoras mais lentas (por exemplo, durante a decolagem ou aterrissagem) é mais forte.
Se a aeronave voa mais alto, o ar é menos denso (possui menor massa por unidade de volume) e, portanto, precisa ser acelerado para velocidades mais altas. Portanto, a turbulência atrás das aeronaves que voam mais alto é mais forte. Felizmente, ao voar em aviões altos, também voa rápido.
Para entender a formação de vórtices de ponta de asa e como isso leva à turbulência, precisamos primeiro entender como as asas de uma aeronave geram sustentação.
Esta forma de elevação funciona de acordo com as Princípio de Bernoulli; a ideia básica é que ar em movimento rápido cria baixa pressão. É aqui que a estrutura da asa se torna importante.
A superfície superior da asa é levemente curva, a fim de aumentar a distância da viagem antes de atingir a borda de fuga. Para acompanhar as moléculas de ar logo abaixo da asa, elas aumentam sua velocidade. UMA a baixa pressão se forma bem acima da asa e, portanto, a pressão relativamente alta sob as asas empurra a asa (e, portanto, toda a aeronave) para cima. Isso pode ser entendido claramente com a ajuda de uma imagem:
A sustentação de uma asa é criada principalmente pelo diferencial de pressão entre as superfícies inferior e superior da asa. As moléculas de ar abaixo já estão sob pressão, e as próximas à ponta da asa escapam ao redor da asa e avançam para cima, para cima e para dentro, criando vórtices na ponta da asa.
As asas de muitas aeronaves modernas também servem ao propósito de um pouco impedindo a formação de vórtices na ponta da asa, não deixando as moléculas de ar entrarem em espiral depois de escapar debaixo da asa.
Wake Turbulence é uma perturbação na atmosfera que se forma atrás de uma aeronave enquanto passa pelo ar. Inclui vários componentes, dos quais os mais importantes são vórtices com ponta de asa e lavagem a jato.
Portanto, a turbulência de vigília não passa de distúrbios atmosféricos causados por vórtices nas pontas das asas e, em menor escala, pela exaustão dos motores a jato.
EDIT: Seção removida que elabora o Impact Lift, como não existe - Cortesia de Peter Kämpf