As asas são mais eficientes na criação de sustentação do que na orientação do impulso do motor para baixo?

Pergunta interessante. Puramente empiricamente, é a proporção de elevador para arrastar que você está procurando. Se você considerar esse valor como determinado para qualquer aeronave em particular, terá uma resposta direta sobre o quanto de asas são mais eficazes. É a proporção da elevação para o arrasto total. O mecanismo só precisa superar o arrasto.

Com L / D igual à unidade, você precisaria do mesmo impulso que para a decolagem vertical. Mas mesmo as aeronaves de asa fixa bastante "ruins" teriam L / D sobre o 5. Planadores ou aeronaves similares construídas com um forte foco na aerodinâmica podem ter um L / D de 50 ou mais (pelo menos em algumas faixas estreitas de velocidade do ar).

Então sim, as asas são mais eficientes. Como regra geral, cerca de uma ordem de grandeza para aeronaves comuns e velocidade do ar ideal.

Por que seu raciocínio com o ar comprimido está incorreto é mais complicado de explicar. Começarei com a suposição de que, à medida que o ar passa por um aerofólio, sua velocidade em relação ao aerofólio é inalterada e apenas a direção muda. (Eu sei que o ar desacelera pelo menos por causa do atrito, etc., mas essas são, pelo menos teoricamente, coisas evitáveis ​​não relacionadas diretamente à criação do elevador. Se houver algo intrinsecamente relacionado ao elevador, o que faz o fluxo de ar mudar não apenas a direção, mas também a velocidade também espero que alguém me corrija aqui.)

Veja a imagem. A massa de ar que se move inicialmente em direção ao aerofólio com velocidade $ \ vec {v_0} $ é desviada pelo ângulo $ \ alpha $. Portanto, a mudança na velocidade é $ \ vec {\ Delta v} $. Essa alteração pode ser dividida em componentes horizontais e verticais. Para manter a aeronave no ar, o componente vertical deve ser equivalente ao peso da aeronave dividido pela taxa de fluxo de massa sobre a asa. O componente vertical está relacionado à horizontal por $$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2}. $$

Portanto, dessa visão simplista, o arrasto seria $ \ tan \ alpha / 2 $ vezes o aumento. Uma taxa de fluxo de massa mais alta sobre a asa (asas mais longas, maior velocidade no ar) torna possível manter a mesma sustentação com menor deflexão ($ \ alpha $), portanto menos arrasto devido à sustentação gerada.

Comentário adicional: como está relacionado à potência e energia

A resposta acima é focada em como as asas diminuem o motor necessário impulso, mas a pergunta original também pode ser interpretada em termos de eficiência energética. Vou tentar adicionar alguns comentários sobre esta parte.

• exemplo simples - motor de foguete: não muito típico para aeronaves, mas simples. O foguete consome a mesma quantidade de combustível por segundo para gerar uma unidade de thurst, independentemente do seu tamanho e independentemente de estar apontando para cima (e estática em relação ao ar) ou para frente (e se movendo pelo ar). Você precisa queimar proporcionalmente mais combustível por segundo para gerar maior empuxo. Portanto, para a propulsão do foguete, você economizará combustível na mesma proporção em que o impulso necessário diminui.

• Os motores a hélice ou a jato são mais complicados, pois seu impulso e consumo de combustível também dependem do movimento do motor no ar. Como David K ​​apontou em sua resposta, podemos usar o momento e a energia cinética do ar acelerado para obter a energia necessária para a unidade de impulso.

  Com algumas simplificações, o impulso é a vazão mássica através do motor / suporte multiplicada pela mudança na velocidade do fluxo que causa. $ T = \ ponto m \ cdot (v _ {\ rm out} - v _ {\ rm in}) = \ ponto m \ Delta v $. A energia necessária para isso é $ P = \ ponto m \ cdot {1 \ over2} (v _ {\ rm out} ^ 2 - v _ {\ rm in} ^ 2) = \ ponto m \ Delta v \ cdot (v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ sobre 2}) $. Assim, $$ {P \ over T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2} \ ,. $$

  Para motores estacionários contra a gravidade, é necessário maior empuxo em comparação com aeronaves de asa fixa voadora, como mostrado acima. Se não "trapacearmos" aumentando a taxa de fluxo de massa através do motor (como fazer com que ele seja rotor de helicóptero ou usar vários motores), $ \ Delta v $ deverá ser aumentado para obter o impulso necessário. Portanto, você não precisa apenas de mais potência por causa do aumento do impulso, mas também de mais poder por causa do aumento de Watts por unidade de impulso. Observe que mesmo o "truque de helicóptero" não funciona muito bem. Para igualar o consumo de energia do motor que gera menos empuxo graças ao L / D da asa, você também precisa melhorar o P / T - diminuindo $ \ Delta v $, aumentando assim o fluxo de massa (raio do rotor / hélice ainda mais que proporcional ao aumento do empuxo) .

  E quanto à diminuição do P / T devido ao movimento no ar? Bem, isso depende de um mecanismo específico e de seus $ \ Delta v $. Normalmente, ela tem uma ordem de magnitude semelhante à velocidade do ar (ou até menos), portanto, não podemos negligenciar $ v _ {\ rm in} $ na equação de watts por empuxo acima. Há uma penalidade de eficiência quando o motor trabalha em aeronaves em movimento. Mas ainda deve valer a pena, pois o ganho fornecido pelo elevador é maior.

  Um exemplo simplificado: temos um motor capaz de produzir impulso suficiente para levantar verticalmente a aeronave. Ele pode ser modificado alterando $ \ Delta v $ sem problemas práticos ou alteração em sua eficiência interna. E vamos supor que a taxa de fluxo de massa através dela seja uma área fixa $ S $ multiplicada pela densidade do ar e multiplicada pela média aritmética das velocidades de entrada e saída de ar. Para aeronaves flutuantes e motores estacionários que produzem empuxo igual ao peso da aeronave, $ w $ é $$ w = \ ponto m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2 / 2 \ ,; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$ e, portanto, $$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ sobre 2 \ rho S} \,. $$

  A mesma aeronave voando em suas asas só precisa de $ w \ mais de L / D $ de empuxo. A velocidade no ar é $ v _ {\ rm air} $. Equação do impulso: $ {w \ over L / D} = \ ponto m \ Delta v _ {\ rm flight} = \ rho S \ cdot (v _ {\ rm air} + {\ Delta v _ {\ rm flight} \ acima de 2}) \ cdot \ Delta v _ {\ rm flight} $. Assim $$ \ Delta v _ {\ rm voo} = \ sqrt {{2w \ over (L / D) \ rho S} + v _ {\ rm air} ^ 2} -v _ {\ rm air} $$ e $$ P _ {\ rm voo} = {w \ sobre L / D} \ cdot (\ sqrt {{w \ sobre 2 (L / D) \ rho S} + {v _ {\ rm air} ^ 2 \ over 4}} + {v _ {\ rm air} \ sobre 2}) \ ,. $$

  Infelizmente, não vejo como simplificar e comparar $ P _ {\ rm hover} $ e $ P _ {\ rm flight} $, portanto, alguns números concretos:

  • Aviões leves, tonelada 1, nós 100, $ S = 5 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm pairar} = 290 \, \ rm kW $, $ P _ {\ rm voo} = 35 \, \ rm kW $.

  • Aeronaves pesadas, ton 100, nós 200, $ S = 50 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm pairar} = 90 \, \ rm MW $, $ P _ {\ rm voo} = 7 \, \ rm MW $.

  Portanto, com base nessas simplificações, voar com asas com um tipo semelhante de motor também deve ser significativamente mais eficiente em termos de energia. Além disso, você já está avançando usando power $ P _ {\ rm flight} $. Para o motor vertical, seria necessária uma potência extra para superar a resistência ao ar devido ao movimento.

Com relação ao gasto de energia e energia, para uma determinada quantidade de força a ser produzida pela aceleração de uma massa de ar, é necessária mais energia quando você acelera uma pequena massa de ar em cada período de tempo do que quando você acelera uma grande massa de ar. Isso ocorre porque a força é proporcional à mudança no momento da massa de ar, enquanto a força é proporcional à mudança na energia cinética; e enquanto o momento é $ mv, $ energia cinética é $ \ frac12 mv ^ 2. $

O típico motor de avião pega pacotes de ar relativamente pequenos e os impulsiona para trás em alta velocidade. Uma hélice grande, ou um turbofan de bypass alto com uma entrada grande, se sairá melhor do que uma hélice pequena ou um turbojato com uma entrada pequena. Mas a asa de uma aeronave convencional típica "agarra" um muito maior parcela de ar durante qualquer unidade de tempo do que seus motores. Ao empurrar a asa para a frente através do ar, a aeronave converte a produção relativamente ineficiente de força por seus motores (pegando pequenos pacotes de ar da frente da aeronave e acelerando-os rapidamente para trás) na produção de força muito mais eficiente por suas asas (pegando grandes quantidades de ar acima da aeronave e acelerando-as relativamente lentamente para baixo).

Simplesmente girar o motor típico (jato ou hélice) de uma aeronave convencional para baixo não permite que a aeronave acelere quase tanto ar para baixo quanto a asa pode quando a aeronave está em vôo normal.

Em um helicóptero (também conhecido como "aeronave de asa rotativa"), o motor gira a asa (também conhecida como rotor), empurrando-a pelo ar e acelerando o ar acima da aeronave para baixo, independentemente de a fuselagem estar avançando através da massa de ar ou não. Portanto, um helicóptero pode decolar verticalmente com um motor relativamente pequeno, comparado ao que você precisaria decolar verticalmente com qualquer coisa como um motor convencional de aeronave de asa fixa. Se você pensa em um rotor de helicóptero como um "ventilador que aponta para baixo", ele realmente funciona razoavelmente bem.

Em uma aeronave tradicional, a maior parte da energia do motor é usada para manter a aeronave avançando a uma determinada velocidade. Muito pouco desse poder é realmente necessário para criar sustentação.

Considere um simples avião de papel. Ele voa por um longo tempo sem nenhum motor, até que o arrasto diminui a velocidade e se perde a sustentação e desce para o chão.

Nas mãos de um piloto experiente, os planadores podem permanecer no ar por horas sem nenhum motor.

Não vou entrar em discussão sobre se as asas funcionam direcionando o ar para baixo ou não, porque é simplesmente irrelevante. A verdade básica é que, quando uma asa é orientada de maneira a fornecer sustentação ao avançar, tudo o que você precisa que o motor faça é dirigir a asa e o restante da aeronave para a frente nessa velocidade.

A asa e o corpo da aeronave criam um arrasto efetivo quando são puxados ou empurrados para a frente e o motor precisa apenas criar essa quantidade de força para não desacelerar. Essa força é MUITO menor do que você precisa para levantá-la diretamente.

A maioria dos motores de aeronaves simplesmente não tem força de impulso para erguer a aeronave por conta própria. Durante o desenvolvimento inicial da aeronave, muitas tentativas foram feitas e falharam porque os motores com força suficiente simplesmente não estavam disponíveis.

As asas já existiam muito tempo antes da chegada dos irmãos Wright, mas o vôo era imprevisível e descontrolado. A primeira aeronave verdadeira foi inventada porque os irmãos descobriram e inventaram um mecanismo para permitir que controlassem as asas.

Em resumo, é muito mais fácil fornecer sustentação com asas do que usando vetor de empuxo.

CONTUDO: Nesse ponto, você provavelmente ainda está coçando a cabeça, imaginando como pode levantar uma aeronave sem realmente obter essa quantidade de energia do motor ... Então, deixe-me tentar explicar.

Digamos que você tenha um carro, e eu digo para você levantá-lo nos pés 6 ... Bem, a menos que você seja esse cara, isso simplesmente não vai acontecer ...

Mas e se você fizer o seguinte?

Bem, você pode reclamar e ficar sem fôlego, mas pode ver como, se a rampa fosse uma inclinação suficientemente longa, você poderia usar nossos músculos para elevar o carro a essa altura.

Por sermos criaturas de movimento lento, pensamos no ar como nada. No entanto, o ar se torna uma coisa diferente quando você tenta afastá-lo muito rapidamente. Torna-se significativamente "difícil".

Uma aeronave em voo pode, portanto, ser pensada em subir uma rampa de ar, como mostrado abaixo.

A aeronave e as asas cortam o ar razoavelmente facilmente, mas o ar sob as asas e o corpo age como uma rampa. Quanto maiores as asas, mais dura e sólida a rampa. Isso fornece o elevador .. mantendo a aeronave em pé.

É claro que a rampa não é sólida e cai efetivamente à medida que avançamos a aeronave. Em outras palavras, a aeronave está caindo e subindo ao mesmo tempo. Quando em vôo nivelado, a rampa está caindo na mesma velocidade em que a aeronave está subindo.

O que isso significa é que as asas oferecem a você vantagem mecânica de usar uma rampa para reduzir a força necessária para realizar o trabalho. Ignorando o arrasto, o trabalho necessário é o mesmo que se você o tivesse levantado verticalmente, mas como você o distribui por uma longa distância adiante, o esforço exigido do mecanismo é dividido significativamente.

Eficiência:

Agora isso é mais eficiente? Bem, tradicionalmente rampas e outros dispositivos de vantagem mecânica são menos eficientes do que uma elevação reta, porque há perdas envolvidas em atrito extra no aparelho.

No entanto, os próprios sistemas de elevação baseados em propulsão vertical são terrivelmente ineficientes.

Como discutimos, o ar é mais difícil de mover quanto mais rápido você tenta movê-lo. Isso significa que dobrar a potência do motor NÃO se traduz em dobrar o impulso, é mais uma função exponencial. Ou seja, você precisa queimar mais que o dobro da gasolina para obter o dobro do impulso.

Pior, para qualquer mecanismo, há um limite para a quantidade de impulso que ele pode produzir. Eventualmente, o ar cavita na frente dele. Se conseguir girar rápido o suficiente, aspirará TODO o ar da entrada tão rapidamente que um vácuo se formará. Nesse ponto, o motor está sem ar e não pode acelerar mais, QUANTO combustível você injeta. Isso significa que, para obter mais impulso, você precisa de um motor maior, o que significa mais peso, o que significa que você precisa de mais impulso. .... Você vê para onde estou indo com isso?

E lembre-se, isso é apenas para mantê-lo, você ainda precisa usar mais energia para ir do ponto A ao ponto B.

Como tal, mesmo com as perdas por arraste, o vôo alado ainda usa muito menos gás para qualquer distância de viagem.

Se ignorarmos as perdas, manter a aeronave em uma dada altitude não requer energia, já que nenhum trabalho é feito nele. No entanto, exige uma força, e você parece confundir força e poder. O termo eficiência não tem significado (pelo menos não tem um significado bem definido) quando se fala de forças.

Por exemplo, posso segurar um peso de 20 kg na mão e segurar um kg de 200 usando uma alavanca do 1: 10. Certamente, você pode dizer que a alavanca é 10 vezes mais eficiente e, nesse sentido, as asas são mais eficientes do que os motores de decolagem vertical: você pode decolar com um motor com o 10 vezes menos empuxo. O corolário é que você precisará do 10x mais tempo para alcançar uma determinada altitude, assim como eu levantaria um peso kg do 200 10 vezes mais devagar usando uma alavanca do que levantaria um peso do kg 20 com as mãos.

Os motores (digamos, motores de pistão) não fornecem sustentação. Os motores acionam as asas. Cada lâmina de uma hélice é uma asa. Cada asa (no mesmo tamanho, perfil aerodinâmico, ângulo de ataque, velocidade relativa, altitude) fornece a mesma quantidade de sustentação.

Ambos os dispositivos abaixo fornecem o mesmo elevador, um voa para a frente e outro em círculo. Um é um avião, outro é uma hélice. Apontar o impulso de um motor para baixo = apontar a direção de vôo das pás na horizontal. Espero que isto ajude.

Eu só quero adicionar algo que eu acho que geralmente foi esquecido aqui. À medida que a velocidade específica do ar sobre a asa / hélice aumenta, o arrasto aumenta mais do que apenas linearmente, seu exponencial. Em outras palavras, como o fluxo de ar (em massa) sobre uma asa é muito maior, ele pode produzir x quantidade de sustentação em uma velocidade baixa, enquanto com um motor, uma vez que possui um fluxo de ar menor (novamente em massa) precisa se mover o ar mais rápido sobre as hélices no motor para gerar a mesma elevação. Como o arrasto não é linear, ele precisa de consideravelmente mais energia para superar o arrasto do mecanismo, que é o que causa as ineficiências.

Percorrendo as respostas, estou perdendo uma abordagem muito simples para explicar a diferença:
Listando as ineficiências das duas soluções de design

ASA consertada

• arrasto que não produz elevador - Parte do arrasto não está relacionado à produção de sustentação, por exemplo, atrito do ar na superfície da asa.
• vórtices da ponta da asa - A diferença de pressão entre acima e abaixo da asa procura se igualar por um fluxo de ar de baixo para cima. Isso pode ser mitigado por winglets e / ou alta proporção da asa.
• nada - Este é um espaço reservado para qualquer coisa, eu poderia ter perdido. Veja abaixo a contraparte.

Asa rotativa

• arrasto que não produz elevador - Igual ao ponto equivalente acima, exceto para diferentes perfis de asas, perfis aerodinâmicos e velocidades diferentes. Veja abaixo mais informações sobre diferentes velocidades do ar.
• vórtices da ponta da asa - Igual ao ponto equivalente acima, exceto o comprimento da asa e, portanto, a proporção é mais limitada na escolha do projeto. Os winglets causariam muitos problemas estruturais e aumentariam o arrasto proporcionalmente, porque estão por definição na ponta (em movimento rápido).
• nada - Basicamente, qualquer coisa que se aplique às asas fixas também se aplica às asas rotativas. Além disso, muitas vezes o fluxo de ar não uniforme (veja abaixo) não permite otimizações no perfil da asa, perfil aerodinâmico etc.
• distribuição não uniforme das velocidades do ar sobre a lâmina - As pontas de um rotor estão se movendo mais rapidamente no ar que sua base. Assim, é difícil obter velocidade do ar ideal em todos os lugares da lâmina do rotor ao mesmo tempo.
• velocidades do ar diferentes para a lâmina anterior e a retroceder - A velocidade de avanço da aeronave é adicionada à velocidade do ar sobre a lâmina anterior, mas subtraída do recuo. Essa diferença aumenta o problema de alcançar o fluxo de ar ideal.
• necessidade de contra-torque - O rotor de cauda no design clássico de helicóptero requer energia do motor principal sem aumentar a força de elevação ou avanço. É basicamente uma "necessidade inútil". Os projetos de rotores duplos podem sofrer um fluxo de ar cada vez mais perturbado (veja abaixo).
• movimento circular - O movimento circular está basicamente acelerando em direção ao centro. "Voar reto" seria mais eficiente, por exemplo, há rolamentos no rotor que vazam o momento angular. Em comparação, uma asa fixa não vaza seu impulso além das outras ineficiências. Isso também impõe requisitos estruturais nas pás do rotor que podem limitar outras otimizações de projeto.
• fluxo de ar perturbado - A lâmina anteriormente recuada se move após a anterior anterior na próxima revolução. O ar perturbado não cria um fluxo de ar tão limpo quanto seria imperturbável. Isso reduz a taxa de elevação para arrastar.
• aerofólio não otimizado - Vários pontos acima já mencionam isso, seja necessário (requisitos estruturais em movimento circular) ou impedindo a otimização (distribuição não uniforme das velocidades do ar sobre a lâmina).

Para voltar à pergunta original:
Como regra geral, podemos assumir que, quanto maior a lista de ineficiências, menos eficiente será o design. Especialmente quando tudo (e nada) em uma lista também aparece na outra. Seria necessário haver grandes diferenças qualitativas em cada ponto para que a regra de ouro fosse violada.

Uma grande vantagem de uma asa em relação a um motor é que, em uso típico, ela constantemente encontra ar relativamente imperturbável. Um motor apontado para baixo criaria uma área de baixa pressão acima dele, e o ar que flui para ele se moverá para baixo mesmo antes que o avião possa fazer alguma coisa com ele. A única maneira de o avião gerar impulso será acelerar o ar já em movimento a uma velocidade ainda maior. A quantidade de energia necessária para acelerar um metro cúbico de ar de 9m / s para 10m / s é quase o dobro da quantidade necessária para acelerar os metros cúbicos de ar 10 de 0m / s para 1m / s, mas a quantidade de elevação gerado por este último será dez vezes maior.

A maneira como o vôo "básico" sempre foi explicado para mim é que, devido à forma da asa, o ar por cima ainda tem que ir, portanto, é "esticado" o ar sob a asa tem menos distância para viajar. Portanto, o ar sob a asa tem mais "pressão" do que sobre a asa. Em nenhum momento você está realmente "empurrando o ar para baixo". Pelo menos não exatamente. O peso da embarcação faz com que o ar sob a asa "smoosh" (ou desloque) da mesma maneira que um barco, enquanto não há força (além do elevador) empurrando "para cima" na asa.

Tudo isso é uma explicação muito simples. Mas a parte principal, a parte muito importante é que em nenhuma aeronave, asa fixa (avião) ou rotativa (helicóptero) é QUALQUER elevador gerado ao empurrar o ar para baixo. A sustentação é gerada pelo fato de haver menos pressão de ar "no topo" da asa, do que "embaixo" da asa quando combinada com a força descendente da gravidade. É o puxão para baixo que realmente faz os aviões subirem, por mais estranho que pareça.

Agora, na sua pergunta, você quer saber por que é preciso menos energia para voar "de avião" do que de "helicóptero". Mais uma vez, lembre-se de que empurrar o ar para baixo não agacha até você entrar em motores de foguetes.

Para responder, vamos dar uma olhada no que cada mecanismo está tentando mover. Em um avião pequeno, o motor precisa mover uma hélice. Vamos dizer sobre quilos 70. Com esse motor girando o 70lbs de peso, ele pode "puxar" (da mesma maneira que a asa) um pequeno avião em torno dos nós do 140. Isso é mais do que suficiente "velocidade" para fazer os bits alados do avião gerar sustentação. Lembre-se de que o "lift" não precisa ser tão grande e forte, apenas um pouco mais forte que a gravidade.

Por outro lado, as "pás" de um helicóptero (apenas asas que giram) pesam cerca de 1 kg de libra. É difícil converter a velocidade de rotação em nós, mas a 250 pés / s é aproximadamente o nó 650 (a matemática é muito difícil)

Portanto, é preciso muito menos energia para puxar uma aeronave para frente com os nós 140. Então ele faz girar um conjunto de asas nos nós do 384.

Lembre-se de que as asas de um avião podem ser MUITO maiores que as asas de um helicóptero. Essa área de superfície extra cria mais sustentação em velocidades mais lentas.

Para torná-lo mais complicado, toda a energia dos "planos" é usada para avançar a nave. É isso aí. Um avião segue apenas uma direção. Eles realmente não giram tanto quanto "caem" em uma direção prescrita (gerando menos sustentação de um lado ou de outro ao longo do eixo 3). O helicóptero, por outro lado, precisa gastar parte de sua energia para avançar "para frente". Seu movimento "para frente" é basicamente prescrito caindo exatamente como o avião, mas depois é necessário ter energia gasta na geração de mais sustentação, onde o avião apenas avança.

TL, DR Na verdade, não são maçãs com maçãs, mas é preciso menos energia para gerar a mesma sustentação, movendo-se para a frente do que girar asas em círculo e gerar sustentação dessa maneira.

AVISO ENORME Eu usei as velocidades e perfis de voo de muitas aeronaves. O avião que usei era "um Cessna", mas peguei números onde os encontrei, então alguns são o querido 172, outros são as outras variantes. Os números dos helicópteros são ainda mais variados. Tentei mantê-lo em helicópteros mais leves, mas posso não ter sucesso. A parte importante é que a teoria está certa, mas não tente contar com a matemática de maneira real.

Outra nota algumas embarcações VTOL realmente empurram o ar para baixo, mas isso é ainda menos eficiente do que girar pequenas asas. Em resumo, empurrar para baixo para subir é como um foguete, criando menos pressão no topo e "flutuando" para cima é um avião.

O artigo faz uma generalização enganosa, pois foi uma das primeiras coisas que aprendi durante o treinamento de vôo. Os aviões não voam "jogando ar para baixo", eles trabalham gerando pressão de ar reduzida que eleva o avião (portanto, "levante") e para a frente (impulso). As asas e as hélices (e turbinas) são aerofólios cuja superfície curva superior acelera o ar à medida que o aerofólio se move através dele, reduzindo assim a pressão do ar. A pressão de ar relativamente diminuída acima das asas e a pressão de ar relativamente aumentada abaixo das asas e atrás da hélice fazem o avião flutuar para cima e para frente.

Um pouco da verdade é que o ar que flui sobre a asa é desviado para baixo e um pouco de ar é comprimido sob a asa enquanto o avião se move, mas é um componente muito menor do que mantém o avião voando.

A menor pressão do ar atrás da asa produz resistência e é um subproduto da sustentação. O atrito da superfície das superfícies de elevação e o corpo do avião também são componentes do arrasto. Um vórtice gerado na ponta da asa à medida que os fluxos de ar de alta e baixa pressão convergem e espiralam entre si também pode ser um forte componente de arrasto, além de causar turbulência que pode afetar outras aeronaves.

Para abordar outra parte da sua pergunta, a produção de sustentação e empuxo segue os mesmos princípios usando os motores convencionais a pistão e a jato (os motores de foguete produzem empuxo pela expansão dos gases). Talvez um dos melhores exemplos visíveis seja a aeronave de rotor de inclinação Osprey com grandes hélices que podem produzir sustentação, empuxo e qualquer combinação intermediária, dependendo do ângulo dos motores.

A analogia de @ ymb1 sobre empurrar uma caixa foi uma excelente escolha. Mover-se perpendicularmente à gravidade (por exemplo, mover a asa para frente) exige menos força do que simplesmente se opor a ela (ou seja, empurrar para baixo). Portanto, as asas são uma escolha mais eficiente, tanto da perspectiva estrutural quanto da complexidade.

Vamos voltar no tempo para perguntar aos pioneiros que tentam voar com motor humano. O design da asa oferecia eficiência em relação aos projetos que dependiam do impulso vertical. Essa eficiência incentivou novas pesquisas.

A força de sustentação desenvolvida por uma asa na velocidade adequada depende da pressão. A pressão também é responsável pela força de elevação (flutuabilidade) nos barcos (pressão da água em vez do ar). Você pode perguntar a um designer submarino sobre o abandono de reatores e a adição de hélices para baixo para manter a profundidade.

Embora seja um mecanismo diferente, um balão de ar quente pode demonstrar que são necessárias quantidades diferentes de energia para produzir a mesma elevação usando um princípio de engenharia diferente. Um pequeno motor a jato pode realmente ser usado para gerar ar quente suficiente para levantar o balão com o carro. No entanto, apontar que o pequeno motor para baixo não fornecerá impulso suficiente para uma elevação equivalente.

Não é como comparar maçãs e laranjas? Não havendo forças externas, as asas sem um motor para acioná-las fazem muito pouco para levá-lo ao ar.

Um mecanismo pode criar 'elevação' apontando-o para baixo. Para decolar, o motor precisaria gerar impulso para neutralizar seu peso. Se você adicionar asas, poderá entrar no ar com muito menos empuxo. Assim, as asas aumentam a eficiência de um motor quando se trata de quanto impulso é necessário para se tornar transportado pelo ar.

Adicionando à excelente resposta de @Dmitry Gregoriev: pode ser que sua pergunta se refira a: por que uma asa fixa é mais eficiente do que uma asa em forma de disco.

Por causa da teoria da linha de elevação. Criar uma determinada quantidade de elevação em um período finito é o mais eficiente, quanto maior o período.

Asas são uma maneira econômica de acelerar uma massa de ar para baixo. O fato de a seleção natural ter escolhido esse sistema em detrimento de outras alternativas significa que as asas são a solução mais econômica ...