Por que os aviões se levantam durante o cruzeiro?

Principalmente as opções 2 e 1 da sua lista.

O que ninguém mencionou até agora, mas é bastante importante aqui, é que o ângulo de ataque depende de velocidade¹ e peso. Embora a "velocidade" não varie muito para a maioria dos aviões, a diferença entre um avião vazio e um totalmente carregado é bastante grande.

Agora, se a fuselagem fosse inclinada para baixo, ela geraria elevação direcionada para baixo e arraste associado ao resultado líquido de simplesmente um arrasto extra. Portanto, a aeronave é projetada para que não voe (em cruzeiro nivelado) inclinado mesmo quando leve. Mas isso significa que, quando está totalmente carregado, voa levemente inclinado, porque precisa de mais sustentação e maior ângulo de ataque para obtê-lo.

¹ _{Depende da "velocidade indicada", que não é de modo algum a velocidade, mas sim a pressão dinâmica expressa como a velocidade na qual ocorreria ao se mover através do ar da pressão padrão do nível do mar (1013.25 hPa). A pressão em grandes altitudes em que os aviões normalmente voam é significativamente mais baixa; portanto, a velocidade indicada geralmente não excede os nós 250 quando a velocidade real ultrapassa os nós 400.}

Por fim, a resposta para sua pergunta é o número (1) das suas opções acima - É assim que a aerodinâmica funciona.

Para gerar uma certa quantidade de sustentação, é necessário que a asa tenha um ângulo de ataque específico a uma determinada velocidade. Como as asas estão mais ou menos permanentemente ligadas à configuração da fuselagem, o ângulo de ataque exige que jogemos a aeronave inteira, alterando o ângulo do convés.

Há sim uma página da web muito agradável ilustrando isso em detalhes (muito exagerados), então não reproduzirei a explicação completa e os desenhos aqui.

quanto a porque a aerodinâmica funciona dessa maneira - que provavelmente tem algo a ver com números (3) e (4) - conforto do passageiro e facilidade de execução de manobras (como pousos).

A maioria das aeronaves em que eu estive tem um ligeiro ângulo do convés do nariz para cima (talvez graus 2) em cruzeiro, o que não é realmente "perceptível" para a maioria das pessoas, a menos que você esteja carregando um nível de bolha ou olhando atentamente para sua bebida , mas o ângulo exato para subida, cruzeiro e descida variará dependendo da aeronave e de como ela foi carregada (você pode praticamente descer com qualquer ângulo de convés que desejar).
A maioria das pessoas provavelmente se oporia a voar com um ângulo de convés de grau 10 ou 15 (com o nariz para cima ou para baixo), de modo que, como uma concessão para o conforto do passageiro, as asas estejam presas à fuselagem de uma maneira que seja aerodinamicamente favorável (não tentando arrastar a parte inferior gorda do avião pelo céu) e confortável para os passageiros.

Por outro lado, a maioria das aeronaves da GA em que estive parece cruzar com um ângulo de convés plano ou levemente virado para baixo, embora isso possa ser facilmente uma ilusão de ótica por ter a grande janela na frente, onde você pode vê-la. (Estou estimando o ângulo do deck com base no bússola molhada incline uma vez que geralmente não sirvo bebidas.)

Você precisa de uma ligeira atitude de inclinação para voar: precisa de um certo ângulo de ataque para produzir a sustentação necessária para permanecer no ar.

Como você imaginou, geralmente as asas são inclinadas em relação à fuselagem, de modo que no cruzeiro as asas terão a AoA necessária, enquanto a fuselagem será horizontal para minimizar o arrasto (e, portanto, o consumo de combustível).

O conforto dos passageiros é muito menos importante do que isso (e os passageiros sempre podem recostar-se nos assentos).

Minha hipótese para sua observação é que o "pitch-up" que você observa é uma ilusão visual / sensorial devido à falta de ponto de referência externo (não, as nuvens não são uma referência válida e o solo está muito longe) ou você voou em aeronaves em que o piso não é paralelo ao avião xy da aeronave. Pessoalmente, eu me inclinaria para a primeira hipótese, pois ter um piso não horizontal em voo cria todo tipo de incômodo para o serviço de cabine (novamente, algo que você deseja evitar).

Você realmente tem uma boa hipótese aqui!

Para começar, é realmente "uma questão simples de engenharia prender as asas ao corpo em um ângulo tal que o ângulo de ataque correto para o voo de cruzeiro corresponda ao corpo horizontal", mas você perdeu um pouco os objetivos do projeto. Esse ângulo é chamado de ângulo de incidência, ou o ângulo de rigging da asa e é a diferença entre o ângulo da fuselagem e o ângulo da asa. Este é um ângulo muito específico que é calculado como parte do projeto da aeronave.

The wing incidence must satisfy the following design requirements:

1. The wing must be able to generate the desired lift coefficient during cruising flight.
2. The wing must produce minimum drag during cruising flight.
3. The wing setting angle must be such that the wing angle of attack could be safely varied (in fact increased) during take-off operation.
4. The wing setting angle must be such that the fuselage generates minimum drag during cruising flight (i.e. the fuselage angle of attack must be zero in cruise).

These design requirements naturally match with the wing airfoil angle of attack corresponding to the airfoil ideal lift coefficient (see figure 5.26).

The typical number for wing incidence for majority of aircraft is between 0 to 4 degrees. As a general guidance, the wing setting angle in supersonic fighters, is between 0 to 1 degrees; in GA aircraft, between 2 to 4 degrees; and in jet transport aircraft is between 3 to 5 degrees.

Observe que o ângulo de incidência adequado terá a asa mais eficiente durante o cruzeiro, enquanto a fuselagem também gera a quantidade mínima de arrasto. Ambos são calculados independentemente e o ângulo de incidência é definido para que ambas as condições sejam satisfeitas ao mesmo tempo.

As decisões de projeto de aeronaves geralmente são um compromisso entre objetivos diferentes, muitas vezes conflitantes. Ele continua dizendo que pode ser ajustado do ideal em alguns casos:

The wing setting angle may be modified as the design process progresses. For instance, a fuselage with large unsweep over the rear portion to accept aft cargo doors may have their minimum drag at a small positive angle of attack. In such cases, the wing incidence will be reduced accordingly. Another, les fundamental, consideration is that stopping performance during landing operation to get as much weight on the braked wheels as possible. Thus, there is a benefit to reduce the wing incidence slightly to the extent that the change is not felt significantly in the cabin. Reducing the nose gear length will do the same thing. This technique is limited in passenger aircraft because a level cabin floor is desirable on the ground. But, for fighter aircraft, the level floor is not a design consideration.

Outro motivo possível para ajustar o ângulo de incidência a um número não ideal é garantir que, ao pousar a aeronave, o nariz não seja abaixado, a fim de evitar uma maior probabilidade de atingir a roda do nariz primeiro ao pousar.

A maior parte do material para esta resposta veio de esse documento escrito por Mohammad Sadraey no Daniel Webster College

Acredito que a resposta pode ser a opção 5:

5. A aeronave muda durante o voo.

No início de um voo, uma aeronave é carregada com combustível. Isso aumenta o peso da aeronave e, portanto, requer um aumento no AoA para manter o vôo nivelado. À medida que a aeronave queima combustível, a massa da aeronave diminui e, consequentemente, o AoA também deve diminuir.

Dependendo do tipo de aeronave e da duração do voo, o peso do combustível pode ser muito significativo. Por exemplo, um Boeing 777-200 tem uma capacidade máxima de combustível de 117,340 lts. Esta quantidade de combustível pesa aprox. 95,000 kg. O peso máximo de decolagem para este tipo de aeronave é um pouco acima do 247,000 kg. Isso significa que um 777 totalmente carregado com combustível e com peso máximo de decolagem perderá um pouco menos de 40% de sua massa durante o vôo.

O conforto dos passageiros é uma grande consideração! É simplesmente mais confortável para os passageiros reclinarem um grau ou dois do que ficarem exatamente nivelados.

Eu pulei de um 777 em um pequeno A / C (se bem me lembro, um Barão de algum tipo) para pular na ilha e a fuselagem estava praticamente nivelada. Certamente parecia menos confortável e de alguma forma, como se estivesse lutando para não descer. Eu preferiria ser um pouco inclinado.

Acredito que algumas aeronaves cruzem levemente o nariz.

[EDIT]

EMBARGO. Não sou especialista em fisiologia ou design de aeronaves.

O conforto é um fator importante e a questão não é "os aviões voam para cima", mas "por que eles fazem isso?" O que eles fazem é um fato. Suspeito que existam muitos fatores, por exemplo, a fuselagem em si, quando levantada, gerará alguma sustentação, mas pergunte a qualquer passageiro experiente sobre sentar em um assento voltado para trás ou caminhar em direção à frente quando estiver em uma descida que resulte em inclinação ou atitude de rebaixamento. Parece menos confortável do que quando o nariz para cima.

Se a aeronave estiver nivelada e você estiver nivelado, experimentará + 1g verticalmente e 0g horizontalmente. Se você reclinar o assento, ainda experimentará + 1 e 0. Se a aeronave estiver levantada, você experimentará um pequeno componente de g na horizontal. Até que efeito isso tem psicologicamente, não sei, mas faz diferença. Ouvi, curiosamente, que olhar para trás, por exemplo, em um assento de classe comercial da British Airways é menos confortável do que em um assento de frente para frente exatamente por esse motivo.