Qual é a física fundamental por trás da redução de L / D à medida que o AoA aumenta além do ponto ideal?

A razão fundamental é que em AoA alto o suficiente, o levantamento se torna zero - certamente não mais que um AoA de 90 °! Nesse ponto, L / D é zero (haverá muito arrasto). Portanto, em algum lugar entre 0 ° e 90 °, haverá um AoA com a maior L / D, e isso é por definição o AoA ótimo. Um pouco além desse ângulo, não há nada para o L / D fazer fazer , exceto diminuir, porque se isso não acontecesse, o ângulo que estamos além não seria o ideal.

Agora, se você estava perguntando por que aquele ângulo específico é ideal para um dado aerofólio, teríamos que entrar em aerodinâmica e camadas limites e outros detalhes. Não é apenas sobre o que acontece com as moléculas que (tentam) atingem a parte inferior da asa, mas pelo menos tanto sobre quão bem as moléculas acima da asa podem ser convencidas a não atingi-la. / p>

Note que acima do AoA ótimo, até o ângulo crítico (stall), o aumento gerado ainda aumenta com o aumento do AoA - é só que neste intervalo o arrasto aumenta mais rápido do que o elevador faz.

    

Velocidade local em baixo ângulo de ataque

Em baixo ângulo de ataque, o ar que se aproxima atinge o aerofólio diretamente na ponta da borda principal. Não há muita curvatura para negociar antes que o longo trecho com pouca curvatura atrás do nariz se siga. Para mudar rapidamente o seu caminho de fluxo, a molécula de ar deve fluir em um gradiente de alta pressão, e esse gradiente acelera-a não apenas lateralmente, mas também na direção do fluxo. Consequentemente, áreas de alta curvatura apresentam alta velocidade de fluxo local. (Eu expliquei a física de uma forma muito simples; se você quiser saber mais, leia isso ).

Velocidade local em alto ângulo de ataque

Com o aumento do ângulo de ataque, a área de sucção sobre o aerofólio precisa se tornar mais strong para forçar o fluxo de ar a seguir o contorno. Consequentemente, mais do fluxo que se aproxima é sugado pela asa, e o ponto de estagnação desloca-se para baixo no nariz do aerofólio. Agora as partículas que atingem o nariz logo acima do ponto de estagnação têm que negociar a maior parte da curvatura do nariz, que precisa de mais aceleração. Isso cria um pico de sucção no fluxo ao redor do nariz e uma alta velocidade de fluxo local no lado superior.

O fluxo sobre o fundo do aerofólio, no entanto, será desacelerado perto do ponto de estagnação e verá apenas pouca aceleração enquanto flui em direção ao bordo de fuga. Veja abaixo um gráfico da distribuição de pressão invíscida. O coeficiente de pressão $ c_p $ está correlacionado com a velocidade e $ c_p = 0 $ significa que a velocidade local é igual à velocidade de vôo do aerofólio. Valores negativos indicam sucção e velocidades locais acima da velocidade de vôo, enquanto valores positivos de $ c_p $ indicam velocidades mais lentas. Observe que o eixo y é plotado ao contrário, com valores decrescentes para cima.

Uma alta velocidade local também causará alto atrito local. Além disso, o aumento de pressão no lado superior em alto ângulo de ataque precisa de mais energia do fluxo externo para manter o fluxo conectado, então a camada limite cresce aqui e diminui mais o ar do que em baixo ângulo de ataque (novamente, extremamente simplificado). Ambos os efeitos significam que o arrasto aumenta em um ângulo de ataque maior.

Se você aumentar ainda mais o ângulo de ataque, o fluxo não poderá seguir o contorno superior e se separará. Isso faz com que o aumento de pressão pare no ponto de separação, portanto, a jusante, a pressão diminui. Como esta parte do aerofólio aponta um pouco para trás, esse aumento de sucção local aumentará o arrasto. Isso começa antes da parada e, em um aerofólio bem comportado, o ponto de separação estará primeiro perto do bordo de fuga e se moverá para cima com um ângulo de ataque cada vez maior. Isso significa que o arrasto aumentará progressivamente com maior ângulo de ataque. Como a maior parte do fluxo ainda está conectada, a sustentação continuará aumentando até a parada.

Óptimo ângulo de ataque

O aerofólio estará em seu ângulo de ataque ótimo $ \ alpha $ com a melhor relação de sustentação em relação ao arrasto $ E_ {opt} $ quando a taxa de elevação aumentar com o ângulo de ataque igual à taxa de aumento de arrasto relação de elevação para arrastar. Uma vez que o arrasto local aumenta com o ângulo de ataque excede esse valor, a proporção de elevação para arrastar diminui. Talvez isso seja mais fácil de explicar com uma fórmula: $$ E = \ frac {L} {D} $$ Para encontrar o melhor, olhamos para o ponto em que a derivada de $ E $ over $ \ alpha $ é 0: $$ \ frac {\ delta L} {\ delta \ alpha} = E_ {opt} \ cdot \ frac {\ delta D} {\ delta \ alpha} $$ A taxa de aumento de elevação em relação ao ângulo de ataque é bastante constante até parar. No ângulo baixo de ataque, o arrasto diminui com o aumento de $ \ alpha $ até que o ponto mínimo de arrasto seja atingido. Em seguida, o arrasto sobe lentamente, de modo que a proporção entre elevação e arraste continua aumentando. Em um ponto, ambos crescem de tal forma que sua proporção não mudará muito, e uma vez que a taxa de aumento do arrasto cresça ainda mais, a relação cairá novamente. Isso tudo acontece antes da tenda.

    

Acho que você estava fazendo essa pergunta relacionada à física das asas e não à física do aerofólio. Aí vem a física do arrastamento induzido . Vou tentar simplificar a explicação.

Como você deve saber, a superfície superior da asa tem pressão mais baixa e a parte inferior da asa tem maior pressão. Isso é o que está produzindo elevador.

Mas ... e a ponta da asa? Ambos os lados estão em contato, então eles devem estar na mesma pressão?

Portanto, temos uma superfície inferior da asa com pressão mais alta e a ponta com "pressão normal", portanto, naturalmente na superfície inferior, o ar tentará ir da raiz até a ponta.

Na superfície superior a situação é a oposição, a raiz terá menor pressão e a ponta mais alta, então o ar tentará ir da ponta até a raiz.

Como na ponta os dois lados estão conectados, o ar tentará escapar do nível mais baixo para o superior (é por isso que existem pontas das asas). E é por isso que os vórtices de ponta são criados com as típicas fotos

Ok, agora vamos falar sobre arrastar. Arrasto é na verdade "qualquer energia que estamos perdendo apenas porque voamos" (ok, é uma simplificação, mas me permite explicar o próximo passo). Então, o avião está perdendo energia e dá para o ar para criar o vórtice da ponta. Quanto maior o vórtice da ponta, mais energia é perdida.

Então, sabe que vem à pergunta, por que a eficiência (L / D) diminui? Assim, à medida que o ângulo de ataque aumenta, a sustentação aumenta linearmente (proporcional ao aumento do ângulo), no entanto, a energia perdida no vórtice da ponta (que é um componente de arrasto) aumenta quadraticamente (proporcional ao quadrado do ângulo de ataque), isso significa que o arrasto está aumentando mais rapidamente (mas começando em um nível mais baixo) que é elevado.

(o elevador cresce, mas o arrasto cresce proporcionalmente mais rápido)

Então, chegamos a um ponto em que o aumento do arrasto faz com que a eficiência comece a diminuir. Esse ponto pode ser calculado com a fórmula fornecida no post anterior.

Observe que a física da asa é mais complicada, pois há outros componentes de arrasto que também interagem com a asa. Também é verdade que as asas "infinitas" têm um L / D máximo, mas existe um mecanismo diferente no lugar.

    

Em AOA mais alto, o fluxo é separado, conseqüentemente Stall acontece. Devido ao stall, o Lift diminuiu e o Drag aumentou, então L / D diminuiu.