É necessário excesso de sustentação ou excesso de energia para uma subida?

Como as respostas à sua pergunta original já foram explicadas, você do precisa de elevação extra para acelerar para cima. Quando a asa estiver em movimento vertical, no entanto, levante novamente exatamente igual ao peso para manter a asa a uma velocidade vertical constante (se negligenciarmos o impulso e o arrasto por um momento). Não é necessário elevador extra para manter essa velocidade vertical. Somente quando você quiser acelerar mais adiante, é necessário um elevador extra.

O aumento da energia potencial vem realmente da hélice, porque o vetor de elevação da asa de escalada é inclinado para trás, adicionando um componente horizontal que precisa ser compensado pelo impulso extra da hélice.

Agora, vejamos seu experimento em detalhes: presumo que a asa tenha alguma massa, esteja travada rotacionalmente e deslize para cima e para baixo naquele poste sem atrito. Se você acelerar o carro, em algum momento sua velocidade estará correta para a asa criar exatamente o elevador para cancelar seu próprio peso. A essa velocidade, a asa ficará estável em qualquer posição ao longo do mastro. Se deslizar um pouco, seu ângulo de ataque $ \ alpha $ aumentará e criará mais sustentação, parando o movimento descendente. O inverso é verdadeiro para qualquer movimento ascendente. Veja abaixo uma ilustração do princípio. O vetor ciano é a soma vetorial do fluxo devido ao movimento para frente (azul) e movimento vertical (vermelho), e é isso que a asa "notará".

Quando o carro acelera ainda mais, o elevador aumenta e agora se torna maior que o peso. A asa acelerará para cima até que sua velocidade vertical reduza seu ângulo de ataque o suficiente para reduzir as forças aerodinâmicas verticais exatamente iguais ao seu peso. Agora você tem a mesma situação de antes, mas não a velocidade vertical zero, mas a uma velocidade vertical positiva que garantirá que a asa se solte no topo do mastro, a menos que haja alguma parada. Quando a asa bate no batente, o movimento vertical cessa, o ângulo de ataque aumenta e a asa se eleva não apenas ela mesma, mas também parte do peso do carro.

Observe que agora falei dos componentes verticais das forças aerodinâmicas, e não do levantamento. Quando o arrasto é adicionado, ele adiciona um componente vertical quando a asa está em movimento. A elevação é definida como a soma das forças aerodinâmicas perpendiculares à direção do fluxo no infinito e arrasta paralela a ela. Essa definição complicada garante que as distorções locais no campo de fluxo não afetem a direção do levantamento e arraste. A direção da sustentação da asa de escalada apontará levemente para trás e a direção do arrasto levemente para baixo. Isso adicionará algum componente de arrasto à soma das forças aerodinâmicas verticais e o levantamento precisa aumentar para compensar isso. O componente horizontal do levantamento agora aumentará o arrasto e as forças no mastro, portanto, é necessária mais força da hélice para empurrar a asa de escalada pelo ar. Essa força extra é necessária para aumentar a energia potencial da asa em seu caminho para cima. Para uma asa descendente, o inverso é verdadeiro: agora o arrasto adicionará algum componente vertical e a elevação será um pouco mais lenta. O componente dianteiro do elevador agora empurra o mastro, reduzindo a força que a hélice precisa fornecer. A redução da energia potencial agora reduz as forças aerodinâmicas horizontais.

Um avião é um pouco diferente, porque é livre para se inclinar para cima ou para baixo e o ângulo de empuxo se inclina com ele. Isso permitirá que o piloto selecione a trajetória de vôo e a quantidade de sustentação que a asa cria, mas, novamente, o movimento vertical garante que qualquer excesso de elevação se traduza em maior velocidade vertical e em um ângulo de ataque mais baixo, para que o excesso de elevação desapareça. Em uma escalada, o impulso precisa ser maior que o arrasto para aumentar a energia potencial do avião, e agora o componente vertical do vetor de impulso inclinado suportará algum peso, reduzindo a quantidade de sustentação necessária para suportar o peso.

Quando voce diz,

No power invested by the propeller goes into potential energy of the wing; the climb of the wing is done purely by lift.

você está perdendo de onde vem a energia da asa. O levantamento não é um poder mágico que cria energia potencial do nada: apenas transforma a velocidade do ar (energia cinética) em altura (energia potencial). No seu exemplo, a energia investida pela hélice se transforma em energia cinética de todo o carrinho, incluindo a asa. É assim que a energia passa da hélice (ou seu combustível) para a energia potencial da asa. Você precisa usar mais força para conduzir o carrinho com a asa presa, do que faria se a levasse.

Existem duas maneiras de observar as forças produzidas durante uma subida. Lembre-se de que, como uma asa produz mais sustentação, também produz mais arrasto induzido. É por isso que você precisa de excesso de impulso, para gerar o excesso de impulso.

Para uma determinada configuração de potência, você pode voar de nível a uma certa velocidade. Se você levantar, as asas criarão excesso de sustentação, mas também mais arrasto. Mesmo que parte de seu impulso esteja agindo verticalmente, não há excesso de impulso, porque o arrasto é maior. Você diminuirá a velocidade, o elevador diminuirá e você parará de subir.

Em vez disso, você pode manter a aeronave nivelada e adicionar mais impulso. Isso aumentará sua velocidade, o que também aumentará a sustentação das asas. Isso, por sua vez, aumenta o arrasto induzido, o que acabará por equilibrar o excesso de impulso em uma nova velocidade do ar mais alta. Como você aumentou a sustentação fazendo isso, subirá, mesmo que suas asas estejam niveladas. Você só pode fazer isso porque adicionou energia em primeiro lugar.

(Sinto-me obrigado a salientar que você não costuma subir dessa maneira: para obter uma melhor taxa de subida, geralmente você adiciona potência e também aumenta, deixando a velocidade do ar diminuir para a velocidade em que as asas produzem mais força para o menor arrasto.)

Eu meio que sinto que o restante das respostas é desnecessariamente complexo, dado o quão simples os fundamentos aqui são:

Ímpeto

Pergunta: É necessário que L> mg (ou como você disse, um excesso de sustentação) para subir?

Resposta: Não, pelo menos não um excesso sustentado de sustentação. As leis de Newton afirmam que um objeto em movimento permanecerá nesse estado, a menos que uma força aja sobre ele. É necessário um desequilíbrio de força para colocar a aeronave em uma subida, mas, uma vez alcançado, as forças podem ser equilibradas e a aeronave continuará a subir. Como tal, um excesso de sustentação não é uma condição necessária para uma aeronave sustentar uma subida.

Energia

Pergunta: É necessário adicionar energia ao sistema (na forma de aumentar nossa produção de energia) para subir?

Resposta: Sim, se a energia é conservada, a fim de ganhar altitude (e, por extensão, energia potencial gravitacional), devemos adicionar energia. Não poderíamos adicionar energia, não aumentar a potência dos nossos motores e simplesmente puxar para cima, aumentando o AoA, mas também arrastar, e subiríamos por um curto período de tempo, trocando energia cinética por energia potencial gravitacional; a aeronave diminui rapidamente e somos obrigados a mergulhar abaixo da altitude original para retornar ao vôo nivelado constante.

Portanto, um excesso de energia é necessário para a subida, mas um excesso de sustentação não é.

A resposta simples é fácil de demonstrar. Comece com uma aeronave TRIMMED para vôo reto e nivelado. Por exemplo, pés 1000, hélice 100 mph, hélice de passo fixo 1500 rpm.

Lift = peso e empuxo da aeronave = arrasto da aeronave.

Agora aumente a rotação do motor em 150 rpm (10% mais impulso), o que aumenta o impulso. A aeronave acelerará por um momento, o aumento do fluxo de ar sobre a asa e o estabilizador aumentará a sustentação e a aeronave ganhará altitude. Em alguns segundos, o sistema se equilibrará mais uma vez, a velocidade do ar retornará à velocidade reduzida 100 mph e o excesso de impulso aparecerá como taxa de subida. A aeronave agora será levemente inclinada, mas o ângulo de ataque permanece constante, pois é controlado pela configuração do trim do estabilizador, que não tocamos.

Em seguida, role o compensador do elevador para frente, o que abaixará um pouco o nariz. A velocidade do ar aumentará um pouco e a taxa de subida será reduzida. Quando ajustada mais uma vez para um vôo reto e nivelado, a taxa de subida da aeronave será 0, a velocidade do ar estará acima de 100 mph. Agora, o impulso extra aparece como maior velocidade.

Para continuar o exemplo, reduza as rpm de volta às rpm originais do 1500. deixe a guarnição em paz. A aeronave agora deve mostrar uma taxa decente, na nova velocidade do ar um pouco mais alta.

Tudo isso foi feito sem a entrada do controle.

Sempre que o piloto manobra os controles primários de vôo, há uma troca quase instantânea entre ângulo de ataque, velocidade, elevação, arrasto, inércia, taxa de subida ou decente. Jerry S.

As respostas acima explicam lindamente a solução teórica para o seu problema, mas como você não aceitou nenhuma delas a partir de agora, eu ilustraria a solução numericamente.

Vamos supor que seu carrinho esteja se movendo com uma velocidade constante de 'v' Então, KE = 1 / 2 (mv ^ 2) D = 1 / 2 ((densidade) (v ^ 2) S (Cd)) e energia total E = Distância KE + D * (supondo interação sem atrito das superfícies em todos os lugares) agora, Cd = Cd0 + K (Cl) ^ Distância 2 = v * t então TE = 1 / 2 (v ^ 2) (m + (densidade) SVt ( Cd0 + K (Cl) ^ 2))

Aqui pode ser visto que a energia total está sendo usada para

1. A parte de energia cinética do carrinho
2. O coeficiente de elevação de parte da asa do carrinho

O coeficiente da parte de elevação é, portanto, responsável pelo uso de energia3d no levantamento da asa para cima e, portanto, todo o sistema obedece à conservação de energia

Simulação atualizada sem força de arrasto vertical

Nesta situação, apenas para a asa, a subida em uma subida é maior que o peso. A força vertical estabiliza para igualar o peso, mas, como o vetor de elevação é ligeiramente inclinado para trás devido à velocidade ascendente, a elevação aerodinâmica aumenta.

A resposta de Peter Kämpfs descreve o que acontece com a ala nessa situação, mas o que não tínhamos era uma quantificação. Fiz uma simulação em tempo real das forças na asa no desenho do OP, em função da velocidade do ar $ V_ {air} $ e da velocidade vertical da asa $ \ dot {z} $. As forças na asa estão desenhadas abaixo. Eu peguei um perfil da NACA 0012 com $ \ alpha_0 $ de graus 2:

$$ L = elevador = C_L \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot {V} ^ 2 \ cdot A \ etiqueta {1} $$

$$ D = C_D \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot {V} ^ 2 \ cdot \ tag {2} A $$

Para NACA 0012, $ C_L $ é proporcional a $ \ alpha $: $ C_L $ = 1 a $ \ alpha $ = graus 10, portanto, $$ C_L = k_L \ kot \ cdot \ alpha \ tag {3} $$

Quando a asa sobe, o ângulo de ataque muda: $$ \ Delta \ alpha = arctan (\ frac {\ ponto {z}} {V_ {air}}) \ tag {4} $$

Agora, agrupamos todas as constantes: $ K_L = k_L \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot A $, $ K_D = 0.01 \ cdot \ frac {1} {2} \ cdot \ rho \ cdot A $ ($ C_D $ para rugosidade padrão em Re = 6 x $ 10 ^ 6 $ = 0.01 para ângulos de até 4 graus)

A elevação desse ângulo de ataque é encontrada combinando (1), (3) e (4):

$$ L = K_L \ cdot (\ alpha_0 - \ Delta \ alpha) \ cdot V ^ 2 \ tag {5} $$

a força resultante $ F $ é dividida pela massa para resultar na aceleração da asa, que é então integrada com um integrador Euler digital para gerar $ \ dot {z} $

L e D estão alinhados com o vetor de fluxo livre V, enquanto o peso está sempre alinhado com a vertical. Tomamos o cosseno do vetor L menos o seno do vetor D

$$ F_ {up} = L \ cdot cos (\ Delta \ alpha) - D \ cdot sin (\ Delta \ alpha) \ tag {6} $$ Agora para:

• m = 1 kg
• A = 1 $ m ^ 2 $
• $ \ alpha_0 = 2 deg $
• $ k_L $ = 0.1

Obtemos L = 9.81 N a $ V_ {air} $ = 8.949 m / s. Se aumentarmos $ V_ {air} $ de 8.949 para 10.5 m / s em 1.5 segundo, a asa terá uma aceleração inicial para cima. Depois que a aceleração 2.4 segundos é zero, a asa sobe com velocidade constante $ \ dot {z} $ = 0.1 m / s. O ângulo de ataque foi reduzido de 2 graus para 1.45 graus

Valores impressos para o início do teste até 3 segundos:

Existem alguns efeitos de ordem 2nd na resposta que podem ser da instabilidade digital devido ao grande período de tempo do integrador Euler. Hora de verificar isso não está disponível no momento.

Portanto, na situação final, L é 9.82 N, que é maior que o peso em uma subida devido ao aumento na velocidade do ar. Não muito - o vetor de elevação é inclinado para trás em um pequeno ângulo, determinado pela razão de $ \ dot {z} $ e V, que é 0.01. A força vertical total é de $ L \ cdot cos \ alpha - D \ cdot sin \ alpha - W $

Há muito mais a esta questão do que parece à primeira vista - é uma pergunta bastante interessante.

Normalmente, no contexto de vôo de asa fixa, o vetor de empuxo atua aproximadamente paralelamente à trajetória de vôo através da massa de ar. Quando o vetor de empuxo é exatamente paralelo à trajetória de vôo através da massa de ar, e a trajetória de vôo é linear, em vez de se curvar para cima ou para baixo ou para os lados, o diagrama vetorial de forças em subida se parece com este ângulo de escalada de graus 45 - caso do lado direito-- ângulo de escalada de graus 90):

Subida motorizada em ângulos de subida dos graus 45 e 90:

Podemos ver que Lift = Weight * cosseno (ângulo de subida). No diagrama à esquerda, o ângulo de subida é graus 45 e Lift = .707 * Peso. No diagrama à direita, o ângulo de subida é de graus 90 e a elevação é zero.

Porém, esses diagramas assumem que o vetor Thrust atua paralelamente à trajetória de vôo através da massa de ar. Obviamente, se isso não for verdade, a equação axial lift = weight * cosseno (ângulo de subida) também não é mais verdadeira. Para um caso extremo, observe que quando os bicos de exaustão de um "jato de salto" Harrier são apontados diretamente para baixo, a asa é "descarregada" - o avião pode pairar na velocidade do ar zero com sustentação zero, suportado inteiramente por impulso. Por outro lado, durante o lançamento do guincho do planador, o cabo de tração puxa abruptamente para baixo no planador. Isso também pode ser visto como uma forma de "empuxo vetorial" - mas agora a carga na asa é aumentada, e não diminuída, de modo que as asas devem gerar uma força de sustentação que é muito maior que o peso da aeronave.

No caso apresentado nesta pergunta, o Thrust NÃO atua ao longo da trajetória de vôo da "aeronave", se considerarmos que a asa é a "aeronave". Quando a asa está subindo no mastro, o movimento vertical causa uma mudança na direção da trajetória da asa através da massa de ar e também uma mudança na direção do "vento relativo", mas não há mudança correspondente na direção da Vetor de empuxo. Assim, o experimento de pensamento apresentado na pergunta NÃO é representativo da situação típica no vôo de asa fixa. O vetor de empuxo NÃO é fixo na direção relativa à linha de acordes da asa e NÃO está agindo aproximadamente paralelamente à direção do "vento relativo" experimentado pela asa e à direção do percurso de vôo da asa através da massa de ar.

Além disso, o mecanismo básico que governa a velocidade do ar de uma aeronave de asa fixa está ausente. Normalmente, à medida que uma aeronave escala, se o Lift exceder o Peso, a trajetória de vôo se curvará para cima, fazendo com que o vetor Weight tenha um componente maior agindo paralelamente à direção da trajetória de vôo da aeronave através da massa de ar, causando uma diminuição na velocidade. Mas neste experimento, uma vez que a asa é "travada" na posição no carrinho no sentido para a frente e para trás, se a trajetória da asa se curva para cima, parece que o carrinho fornecerá a força necessária para manter o componente horizontal do componente do vetor de velocidade da asa exatamente constante. Supondo, isto é, que o arrasto da asa seja trivial comparado ao arrasto de outras fontes, como o arrasto da roda e o arraste do rolamento da roda, de modo que as variações no arrasto da asa não tenham essencialmente efeito na velocidade do ar e na velocidade do solo do carrinho.

Portanto, as forças que atuam na asa neste experimento mental serão muito diferentes das forças que normalmente atuam em uma aeronave de asa fixa em voo real. Não deveria ser surpresa descobrir que no caso desse experimento mental, a sustentação deve realmente ser maior que o peso para que a asa suba no mastro.

Nós realmente poderíamos terminar esta resposta aqui. Mas é bastante interessante olhar um pouco mais profundamente as forças que atuam na asa no experimento mental.

Quais são algumas das características notáveis ​​do experimento mental?

Como já observamos, a asa está travada no lugar em relação ao carrinho na direção para a frente e para trás. A asa não pode acelerar ou desacelerar na direção para a frente e para trás, em relação ao carrinho. Além disso, se o arrasto da asa é trival comparado às outras fontes de arrasto que atuam no carrinho, de modo que o arrasto da asa não tem essencialmente efeito na velocidade do ar do carrinho, isso significa que a asa não pode acelerar ou desacelerar em a direção para a frente e para trás em relação à massa de ar (ou em relação ao solo). O carrinho transmitirá para a asa, por mais força que seja necessária para manter constante o componente para frente e para trás do vetor de velocidade no ar da asa. Isso é muito diferente da situação típica em vôo de asa fixa.

Além disso. como o experimento mental foi originalmente redigido, a asa é travada em uma atitude de inclinação constante.

Aqui está um diagrama vetorial que ilustra a situação em que o carrinho está se movendo a uma velocidade constante que NÃO é alta o suficiente para permitir que a asa decole do carrinho:

As forças ilustradas incluem sustentação (L), arrasto (D), peso (W), empuxo (T) e a força ascendente (C) exercida pelo carrinho na asa enquanto a asa repousa no carrinho. A força líquida é zero. A relação L / D é 10: 1.

Agora, suponha que mantemos a asa pressionada com força, à medida que aumentamos a potência e aceleramos para uma velocidade do ar mais alta, e então permitimos que tudo se estabilize. Então destrancamos a captura. O diagrama abaixo mostra a situação no instante em que desbloqueamos o catch--

A asa ainda não começou a subir, portanto não há mudança na direção da trajetória da asa através da massa de ar ou na direção dos vetores de elevação e arrasto. O ângulo de ataque da asa não mudou, portanto os coeficientes de sustentação e arrasto não foram alterados, portanto a relação L / D ainda é 10 / 1. A linha tracejada representa o vetor de força líquida, que é simplesmente a soma do vetor de todos os outros vetores de força. Aceleração = força / massa, para que também possamos rotular o vetor de força líquida como "Aceleração * massa".

O que acontece quando a asa começa a subir (acelerar) no mastro? A velocidade ascendente da asa causa uma mudança no "vento relativo" experimentado pela asa. O ângulo de ataque da asa diminui imediatamente ou se torna negativo; portanto, o coeficiente de sustentação diminui e a relação L / D diminui. (O coeficiente de arrasto também pode diminuir, mas não tanto quanto o coeficiente de sustentação.) Se a asa tiver um perfil aerodinâmico curvado e não simétrico, ainda produzirá sustentação em algum ângulo de ataque negativo pequeno, mas não muito. - o coeficiente de elevação será baixo. Quando a asa atinge uma determinada velocidade vertical ascendente, o Lift diminui ao ponto de modo que o componente vertical da força aerodinâmica líquida que atua na asa não seja mais maior que o Peso, a força líquida na asa cairá para zero, e a asa não será mais capaz de acelerar, mas subirá o polo com uma velocidade vertical constante. A figura abaixo ilustra essa situação:

A direção do caminho da asa através da massa de ar é paralela (e oposta à) à direção do vetor Drag. O ângulo de subida - rotulado como "C" no diagrama - é o ângulo agudo formado entre os vetores Thrust e Drag e também entre os vetores Lift e Weight. Esse também é o ângulo entre o vetor Drag e o horizonte, e também o ângulo entre o vetor Lift e a direção vertical. Os vetores podem ser todos arranjados da cabeça à cauda em uma figura fechada, de modo que a força líquida é zero. A elevação é um pouco maior que o Peso e a Empuxo é um pouco maior que a Arrastar. Se a asa estiver montada no carrinho com incidência zero, o ângulo de ataque da asa deve ser ligeiramente negativo - na verdade, deve ser igual a graus "C" negativos. Desenhamos a relação L / D como 2 / 1, para representar a diminuição no coeficiente de sustentação da asa causada pela mudança no ângulo de ataque. A asa está subindo o poste a uma velocidade constante.

Curiosamente, essa situação é praticamente idêntica à vivenciada pela asa ascendente quando uma aeronave rola para um ângulo de inclinação mais acentuado, especialmente se o rolo é acionado por um spoiler implantado na asa descendente sem nenhuma modificação no formato da asa ascendente. A mudança no ângulo de ataque causada pelo movimento ascendente da asa através da massa de ar limita a velocidade vertical que a asa ascendente pode atingir - isso é chamado de "amortecimento do rolo". Os vetores de elevação e arrasto são "torcidos para trás" ou "torcidos para trás" na direção em que apontaram antes do início do movimento de rolagem. https://www.av8n.com/how/img48/adverse-yaw-steady.png desta seção https://www.av8n.com/how/htm/yaw.html#sec-adverse-yaw do excelente site "Veja como ele voa" https://www.av8n.com/how/ .

A situação também é exatamente igual à que teríamos se estivéssemos rebocando um planador nas seguintes condições: 1) Temos um cabo de reboque muito longo - tanto que o ângulo do cabo de reboque em relação ao horizonte não é influenciado pela taxa de subida do planador em relação ao plano de reboque. 2) O rebocador está voando em uma direção tal que a extremidade da corda do planador está puxando exatamente horizontalmente sobre o planador velocidade no ar. 3) O piloto de planador está fornecendo entradas de controle de inclinação, de modo a forçar a atitude de inclinação do planador a permanecer constante em relação ao horizonte, independentemente da taxa de subida.

Agora, e se modificarmos o experimento, permitindo que a atitude de inclinação da asa varie, mantendo constante o ângulo de ataque da asa em relação à trajetória da asa através da massa de ar - talvez adicionando uma palheta ou cauda estabilizadora na parte de trás do asa?

Agora, o que acontece quando a asa começa a subir?

A figura abaixo ilustra uma situação em que a elevação é exatamente igual ao peso. O vetor de arrasto é horizontal, portanto a asa não pode subir ou descer no ar - ela deve permanecer em uma posição fixa no poste.

Observe que optamos por ilustrar uma proporção 5: 1 L / D para esta versão do experimento mental.

Agora, e se dermos o menor impulso à asa para que ela comece a subir? Assim que começa a subir, sua velocidade através da massa de ar é aumentada por seu movimento vertical. E agora a asa está livre para girar de tal maneira que seu ângulo de ataque possa permanecer constante; portanto, não temos o efeito de "amortecimento" que tivemos na versão anterior do experimento. O aumento resultante na velocidade e elevação do ar é muito parecido com o que vemos quando um planador sobe no reboque do guincho, exceto que, no caso da asa no carrinho imaginário, o vetor de empuxo permanece horizontal, em vez de apontar parcialmente para baixo. O ângulo de subida da asa através da massa de ar ficará cada vez mais íngreme à medida que sua velocidade vertical aumenta. Isso faz com que a velocidade do ar aumente, o que aumenta o vetor de elevação.

A figura abaixo ilustra a situação que vemos quando o ângulo de subida da asa através da massa de ar atinge os graus 60. Novamente, a linha tracejada representa o vetor de força líquida, que é simplesmente a soma do vetor de todos os outros vetores de força. Aceleração = força / massa, para que também possamos rotular o vetor de força líquida como "Aceleração * massa".

Nesse caso em particular, dimensionamos os vetores de sustentação e peso para representar a situação em que o componente horizontal da velocidade da asa através da massa de ar é exatamente o mesmo que no diagrama anterior acima, onde a sustentação era exatamente igual ao peso em o caso em que a trajetória da asa era horizontal. Simplesmente subindo, a asa experimentou uma duplicação da velocidade do ar e um aumento de quatro vezes na magnitude do vetor de elevação. A soma dos componentes verticais dos vetores de elevação e arrasto agora é 1.3 vezes o peso da asa. Obviamente, poderíamos modificar o diagrama para representar um caso em que a asa estava experimentando uma força líquida para cima mesmo antes de começar a acelerar, simplesmente diminuindo o tamanho do vetor de peso em relação aos outros vetores.

Se a velocidade do carrinho permanecer constante e o carrinho puder transferir o máximo de impulso necessário para a asa para mantê-lo travado no lugar na direção de avanço e recuo em relação ao carrinho, a asa continuará acelerando cada vez mais rápido pólo?

Acontece que não. Mesmo que a asa não tenha peso, ela parará de acelerar para cima quando o ângulo de subida for igual à tangente inversa da relação L / D. Para o caso 5 / 1 ilustrado aqui, esse ângulo de subida é de graus 78.7. Se a asa tiver peso, o ângulo de subida máximo possível será menor. No caso particular ilustrado acima, onde o vetor Weight é exatamente igual ao vetor Lift que existia quando a asa tinha velocidade ascendente zero, o ângulo máximo de subida possível é algo entre os graus 70 e 75. Acima desse ângulo máximo de subida possível, os componentes verticais de Lift and Drag não somam mais um valor maior que Weight. Portanto, mesmo quando a asa está livre para girar para manter um ângulo de ataque constante, e o carrinho tem um impulso infinito disponível para permitir manter uma velocidade constante apesar das mudanças na força de arrasto da asa, há um limite para o subir o ângulo que a asa pode alcançar.

Aqui está uma tabela interessante

ca- cos- sin- aspd- L- D- vcL- vcD- net aero vc- net vert

0 1.00 0.00 1.00 1.00 .200 1.00 0.00 1.00 0.00

30 .866 .500 1.15 1.33 .267 1.15 .133 1.02 .021

45 .707 .707 1.41 2.00 .400 1.41 .283 1.13 0.13

60 .500 .866 2.00 4.00 .800 2.00 .693 1.31 0.31

70 .342 .940 2.92 8.55 1.71 2.92 1.61 1.32 0.32

75 .259 .966 3.86 14.9 2.99 3.86 2.88 .980 -0.02

80 .174 .985 5.76 33.2 6.63 5.76 6.53 -.773 -1.773

Premissas--

• Componente horizontal constante da velocidade do ar em todos os casos

• Razão L / D 5 / 1.

• A última coluna (mas apenas a última coluna) assume que o valor de Peso é selecionado de forma que Peso seja exatamente igual ao valor do vetor Elevação no caso específico em que o ângulo de subida é zero, significando que Peso e Elevação estão exatamente em equilíbrio neste caso. O valor de Peso não tem efeito em nenhuma das outras colunas.

ca = ângulo de subida em graus

cos = cosseno do ângulo de subida

sin = seno do ângulo de subida

airspd = velocidade da asa através do ar em unidades arbitrárias

L = elevação em unidades arbitrárias

D = Arraste nas mesmas unidades que L

Escolhemos uma proporção L / D de 5 / 1

vcL = componente vertical do elevador (atua para cima) = L * cosseno (ângulo de subida)

vcD = componente vertical do arrasto (atua para baixo) = D * seno (ângulo de subida)

net aero vc = componente vertical da força aerodinâmica líquida = (vcL-vcD) - um sinal positivo significa que a força aerodinâmica líquida atua para cima, enquanto um sinal negativo significa que a força aerodinâmica líquida atua para baixo.

net vert = força vertical líquida = (aero vc líquido - peso), assumindo que Peso seja selecionado de forma que Peso seja exatamente igual ao valor do vetor Lift, no caso em que o ângulo de subida seja zero.

Se a última coluna (vert líquido) for negativa, isso significa que, no caso em que o Peso está definido para o valor específico descrito acima, a taxa de subida deve desacelerar (e o ângulo de subida deve diminuir).

Se a penúltima coluna for negativa, a taxa de subida deverá desacelerar (e o ângulo de subida deverá diminuir) mesmo que o Peso seja zero.

Esta versão do experimento mental - em que a atitude de inclinação da asa pode variar para manter um ângulo de ataque constante - é algo parecido com o que acontece no início do guincho do planador, especialmente perto do início do reboque quando o cabo de reboque for muito longo e a força de reboque permanecer quase horizontal por um tempo, mesmo que o planador comece a subir rapidamente.

Finalmente - a pergunta original continha a seguinte linha: "Observe que - como o impulso é horizontal - a energia química queimada entra em energia cinética do carrinho e / ou energia térmica (devido à superação do arrasto). Nenhuma energia investida pela hélice entra em energia potencial da asa; a subida da asa é feita puramente por elevação ". O impulso certamente funciona na direção da trajetória de vôo através da massa de ar, que nunca é puramente vertical. A situação parece análoga a um cubo leve (digamos, feito de madeira de balsa) que é soprado por uma rampa escorregadia por um vento que sopra horizontalmente. O vento está aumentando a energia potencial do cubo?

Para saber mais sobre a situação de escalada mais "convencional" - uma aeronave de asa fixa com empuxo agindo paralelamente à direção da trajetória de vôo - consulte estas respostas relacionadas a perguntas relacionadas:

: Levanta peso igual em uma subida? "

"O que produz Thrust ao longo da linha de vôo em um planador?"

"Potência 'gravitacional' vs. potência do motor"

"Descendo em uma determinada inclinação de deslizamento (por exemplo, ILS) em uma determinada velocidade no ar - o tamanho do vetor de elevação é diferente no vento contra o vento na cauda?"

"Estamos mudando o ângulo de ataque, alterando o tom de uma aeronave?"

A outra resposta (e a premissa básica) é enganosa. A aviação é um equilíbrio cuidadoso de quase tudo, e você raramente consegue mais um sem perder um pouco do outro.

Considere um foguete. Sem asas e, portanto, sem sustentação. Nível do mar, 0m / s em órbita em minutos 8. Tudo feito com uma quantidade bastante ridícula de poder.

Agora considere um dirigível. Também sem asas, mas excesso de sustentação. Sobe por si só. Os motores são puramente para manobras, se você os remover, geralmente chamamos a coisa de balão.

Uma das coisas mais ridículas que eu já ouvi foi um instrutor de vôo que afirmou que o acelerador controla a altitude e o elevador controla a velocidade. Liguei para o BS completo na declaração e perguntei se ele se encontrava voando em direção a algum cúmulo-granito. Ele preferiria acrescentar energia ou puxar de volta os controles?

O que ele estava tentando entender era que, no regime extremamente restrito de vôo reto e nivelado *, o ajuste da potência afetará a velocidade que afeta a sustentação, e o avião acabará se estabilizando em uma altitude diferente após um ajuste de potência. Ajustar o tom mudará sua velocidade quase imediatamente, mas sua altitude também mudará. Você poderia organizar uma demonstração de ajustar a potência e o tom simultaneamente e não ter mais nada alterado, mas isso basicamente prova meu ponto de vista. Se você deseja diminuir a velocidade (por exemplo, aterrissagem), deixa o acelerador cheio e puxa o manípulo totalmente para trás? Claro que não. É um equilíbrio muito delicado, e é algo que os pilotos passam muito tempo aprendendo. Ou, se você trabalha em determinadas companhias aéreas asiáticas, apenas alguns computadores muito caros cuidam disso.

• Sim, passamos muito tempo lá, mas considere o quão preciso você precisa ser. Uma fração de grau, sem correção, em qualquer eixo, resultará em uma falha antes que você fique sem combustível.