Qual é a definição de fator de carga e como você o aplica?

O fator de carga de uma aeronave descreve o carregamento em massa de uma aeronave como um múltiplo de seu peso. A mesma definição se aplica se estivermos falando sobre um componente de aeronave: o fator de carga, aqui chamado de fator de carga local, será a carga em massa desse componente como um múltiplo do peso desse componente.

Primeiro, precisamos entender o que é carga em massa. A carga em massa de uma aeronave é a carga inercial, como resultado da aceleração da aeronave e o peso da aeronave, como resultado da aceleração da gravidade. Como as cargas inerciais sempre agem de forma oposta à aceleração da aeronave, são assinadas vectorialmente como negativas. A gravidade, como sempre aponta para baixo, está sincronizada com nosso sistema de coordenadas, que define a direção descendente como positiva; portanto, será assinado vectorialmente positivo. A soma dos dois vetores nos dará a carga em massa total da aeronave. Dividir esse carregamento total pelo próprio peso da aeronave nos dará uma idéia de quanto mais seu próprio peso é a aeronave atualmente sendo carregada pela manobra que está realizando e, por isso, quão estruturalmente forte é ou precisa ser .

O fator de carga é a aceleração total que você sente, apontando para baixo. Em voos diretos e nivelados, o fator de carga é 1: você apenas sente a aceleração da gravidade. Portanto, um fator de carga 1 é igual a 9.81 m / s $ ^ 2 $ (se a gravidade for maior, digamos 15 m / s $ ^ 2 $. O fator de carga 1 seria igual a 15 m / s $ ^ 2 $. história.)

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Faça um banco da aeronave 60 ° e faça uma curva coordenada, e você experimentará uma aceleração descendente do 2g. Este é um caso fácil de entender, pois é uma situação estática com velocidades constantes. Se tivermos uma onda senoidal dinâmica, por exemplo, o fator de carga seria uma função de onde estamos no ciclo, se a aeronave estiver acelerando para cima ou para baixo. A aceleração real é adicionada ao vetor de gravidade.

O fator de carga não ignora o peso da aeronave:

• Em um vôo horizontal constante, o fator de carga é 1, pois é o mesmo peso que apareceria em uma balança na superfície da Terra.
• Todas as acelerações dinâmicas são adicionadas ao 1. Se a aeronave acelerar para baixo com -1g, o fator de carga é zero e todos a bordo ficam sem peso.
• Forças são entidades vetoriais. Para o vetor de carga, contamos apenas as acelerações resultantes no eixo z da aeronave. Depois de somar as forças nos graus de liberdade 3, a força do eixo z F conduz o avião para cima / para baixo com uma aceleração de a = F / m.

Se você estiver voando reto e nivelado, o peso do seu avião está em equilíbrio com a sustentação e o fator de carga é sustentação / peso = 1.

Imagine que você está voando s / le - por alguma estranha razão - a intensidade do campo gravitacional da Terra (geralmente expressa como a aceleração da gravidade, g) repentinamente se torna 3g. Para continuar voando reto e nivelado, você terá que aumentar sua velocidade no ar ou (prudentemente) aumentar o AoA das asas. Nessas condições, suas asas serão estressadas para o 3g. O 'fator de carga' aumentará para 3g.

Como todos sabemos, a intensidade do campo gravitacional é bastante estável e você nunca se encontrará voando nas condições mencionadas acima, mas se o seu avião seguir uma trajetória curva, o peso aparente do seu avião será aumentado pelo dito forças inerciais. Se a aceleração (normal ao vento relativo) associada a essas forças inerciais for, por exemplo, 2g, suas asas serão forçadas pela carga devido à gravidade mais a 2g ...

O fator de carga é simplesmente o Levantamento Aerodinâmico dividido pelo peso da aeronave, ou mais corretamente, pela massa inercial da aeronave, conforme normalizado pelo 1 "G" - (32.2 ft / seg2 ou 9.98 m / seg2. - CORREÇÃO (de thx para @Michael Kjorling: 9.80665 m / sec2)

As unidades não têm dimensão (se tanto o elevador quanto o peso forem medidos nas mesmas unidades), mas geralmente nos referimos aos fatores de carga em "G" s. Realmente não importa qual é o ângulo do banco. Mesmo se você estiver de cabeça para baixo, se as asas estiverem produzindo o dobro da sustentação que a aeronave pesa, você terá o fator de carga do 2G.

Para resolver a questão desnecessariamente complicada da gravidade, você deve entender que, considerando a gravidade, é necessário apenas para determinar o movimento ou a trajetória de vôo porque uma aeronave em vôo está se movendo em um quadro de referência acelerado. Seria exatamente o mesmo como se sua aeronave estivesse em uma enorme caixa fechada, cheia de ar, no espaço sideral, sob aceleração de um foguete gigante amarrado de um lado, que acelerou a caixa inteira a 32.2 ft / sec2.

Para manter uma "altitude" constante no quadro de referência acelerado dessa caixa gigante, você teria que aparar a aeronave para que as asas produzissem sustentação igual ao "peso" (massa x 32.2ft / sec2) da aeronave. O elevador nas asas (se igualar ao peso, produz apenas uma aceleração "para cima" de 32 ft / sec2, que corresponde ao 32.2ft / sec2 que a caixa está acelerando e mantém a aeronave a mesma distância acima do "piso" de a Caixa.

Na Terra, estamos em um quadro de referência acelerado idêntico 32.2 ft / sec2, exceto pelo fato de estar sendo causado pelo campo gravitacional, e não por um foguete externo.

Como outra resposta, o Fator de Carga é simplesmente Elevador Aerodinâmico dividido pelo peso da aeronave. Observe que se o levantamento aerodinâmico é conhecido e o peso é conhecido, NÃO é necessário saber se a aeronave está acelerando ou não para calcular o fator de carga. Se o levantamento aerodinâmico é conhecido e o peso é conhecido, as cargas inerciais não precisam ser consideradas. Se a aeronave X pesa libras 5000 e a aeronave está gerando libras 5000 de elevação, o fator de carga é 1. Também podemos chamar o fator de carga de carregamento G - ou pelo menos o componente de carregamento G que medimos em um medidor G - o componente que age na direção para cima e para baixo no quadro de referência da aeronave . De qualquer forma, se a aeronave X pesa libras 5000 e a aeronave está gerando libras 5000 de elevação, o fator de carga é 1, independentemente de a aeronave estar em voo reto e nivelado, ou estar com graus bancários 45 ou estar invertida no topo de um loop. A aceleração da aeronave através do espaço será diferente em todos esses casos, e em todos, exceto no primeiro caso, a trajetória de vôo estará se curvando (acelerando) em direção à terra, mas o fator de carga será o mesmo.

Também podemos dizer que o fator de carga é a aceleração "sentida" ou, pelo menos, o componente da aceleração "sentida" que atua na direção para cima e para baixo do quadro de referência da aeronave. A aceleração total é igual à soma da aceleração "sentida" mais a força da gravidade para baixo do 1-G. Exemplos - vôo reto e nivelado - aceleração total 0 G, força aerodinâmica de elevação = 1G * peso, aceleração "sentida" 1 G, fator de carga = 1. Aeronave invertida no topo do loop com o 1 G exibido no medidor G - aceleração total 2 G para baixo, força aerodinâmica de elevação = 1 G * peso, aceleração "sentida" 1 G, fator de carga = 1. Portanto, se sabemos a aceleração "sentida", ou se sabemos a aceleração total e a atitude da aeronave no espaço, podemos calcular o fator de carga sem conhecer a força real de elevação em libras que a asa está gerando e sem sabendo o peso da aeronave.

Conhecer o fator de carga sozinho não nos diz quanta tensão está sendo exercida sobre, por exemplo, a conexão entre a asa e a fuselagem. Isso será afetado pela forma como a massa da aeronave é distribuída. Também será afetado se a cauda horizontal está ou não gerando uma força de elevação descendente, o que exige que a asa gere mais força para atingir um determinado fator de carga. Para mais informações, consulte esta resposta à pergunta relacionada "Como o peso de uma aeronave afeta o diagrama Vn?" Como o peso de uma aeronave afeta o diagrama Vn?

Ok.
Muitas boas respostas lá em cima.
Depois de passar por todos eles, havia uma pergunta que ainda permanecia em minha mente. Por que negligenciamos o componente vertical do levantamento ao considerar o fator de carga? Além disso, por que o peso deve ser considerado, pois ele é compensado pelo componente vertical da força de elevação? A resposta para essa pergunta está simplesmente na maneira como definimos o fator de carga. Examinando cuidadosamente a definição do fator de carga, entendemos que é a força resultante que as asas de uma aeronave precisam fornecer para realizar um certo tipo de manobra. Como as asas fornecem essa quantidade de força, elas também experimentam uma quantidade igual de carga e é a isso que chamamos de fator de carga. Em termos mais simples, a quantidade de força que as asas devem fornecer é simplesmente a quantidade de força que elas acabam suportando. Considere o mesmo em uma curva coordenada. Mantenha as forças de sustentação de lado e examine as outras forças necessárias para a manobra, juntamente com o peso (que é algo que a estrutura da aeronave precisa suportar). Isso inclui a força centrípeta e o peso de uma simples curva de uma aeronave. Assim, a força líquida necessária para a volta é a soma vetorial do peso e a força centrípeta. Isso (desenhando o diagrama de corpo livre da aeronave) simplesmente se torna a força de elevação líquida que atua na aeronave. Divida pelo peso da aeronave e você obterá o fator de carga. Se o ângulo do banco for $ \ theta $ então o fator de carga acaba sendo seca$ \ theta $. E isso explica o gráfico tendendo ao infinito à medida que o ângulo do banco se aproxima dos graus 90.

Outro caso em que definições e linguagem geram discussões muito interessantes. Então, começaremos com o vetor de força universal e imutável, a gravidade e como ele carrega o avião em repouso (estacionado na pista).

Aperte e vamos subir! G "sentido" pelo piloto = 1. Carga aerodinâmica na asa = 0. Carga por gravidade na asa = 1 Carga total = 1

Vá para um voo de cruzeiro nivelado contínuo. G "feltro" = 1 Carga aerodinâmica = -1 (é uma asa voadora, pois é mais fácil por enquanto) Carga por gravidade = 1 Carga total = 0. A elevação e a gravidade são canceladas.

Parte superior do loop 1G. G "feltro" = 1. Carga aerodinâmica = -2 (para criar o 1G invertido para o piloto) Carga de gravidade = 1 Carga total = -1G (+ piloto e avião invertidos do 1G WRT).

Agora, no topo do circuito, vá para Immelmann e suba de nível invertido. G "feltro" = -1 (piloto e plano invertido) Carga aerodinâmica = -1.
Carga por gravidade = 1. Carga total = 0.

Role para nivelar e pousar.

O estresse estrutural da aeronave é a soma da gravidade e das cargas aerodinâmicas. Este é o conceito importante, pois a orientação da aeronave no campo gravitacional pode mudar.

Os livros podem ser confusos, aproximar-se da realidade pode facilitar um pouco a compreensão.

A resposta foi modificada para usar o vetor de gravidade positiva, conforme escrito por @ Guha.Gubin e comentários do flyer @quiet.

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