Por que os planadores podem voar por tanto tempo?

Um planador e um avião de papel operam com o mesmo princípio: Trocando qualquer energia potencial (altitude) que eles tenham para a energia cinética (velocidade do ar) necessária para manter o ar movendo-se sobre as asas para que eles produzam sustentação estável. (glide)

Em ambos os casos o aerofólio não irá parar a menos que exceda seu ângulo crítico de ataque , que é independente da velocidade no ar. Você pode continuar a voar (com a asa não paralisada e produzindo sustentação), desde que você ainda tenha altitude para trocar por essa velocidade, e se fizer isso corretamente, você acabará ficando sem altitude e velocidade relativamente próxima do solo, onde você pode ter um pouso suave a uma velocidade em que a aeronave não está danificada. No caso de um planador tripulado, espero que isso aconteça numa pista onde você pode pegar outro avião de reboque para levá-lo novamente.

Ambas as aeronaves podem estender seu tempo de planeio encontrando outras fontes de sustentação - térmicas, elevação de cume, etc. - transportar o veículo para uma altitude mais alta, fornecendo mais energia potencial. Os planadores são melhores nisso por uma razão importante: eles têm um piloto que pode manter a aeronave em uma área de ar crescente por mais tempo.

a> para ganhar a maior altitude possível.

Uma aeronave de papel pode ser similarmente feita para voar por um longo período de tempo se for dada uma fonte adequada de sustentação (igual ou superior a sua taxa mínima de afundamento). Há um vídeo bastante famoso do "avião de papel infinito" que é um avião de papel circulando sobre um fogão elétrico, mas eu vou estragar tudo para você e dizer que é um embuste (o consenso geral é que o avião estava em uma corda
Este, no entanto, pode ser replicado com bastante facilidade : O resultado é mais semelhante a um helicóptero em autorrotação ou um autogiro de planador que um planador tradicional de asa fixa, mas é uma boa demonstração dos princípios envolvidos.

A principal diferença entre um planador e um avião de papel é que a maioria dos aviões de papel dobrados tem uma aerodinâmica muito ruim.

A maioria dos aviões de papel dobrado tem asas curtas e grossas. Isso por si só faz muito arrastado. A asa ideal com arrasto mínimo absoluto tem uma envergadura de infinito. Obviamente, não é possível construir essa asa ideal (não temos um número infinito de átomos no universo). Mas geralmente, tudo o mais sendo igual, quanto maior a envergadura, menor o arrasto.

Em segundo lugar, os aviões de papel têm aerofólios muito ruins em comparação com planadores reais. Eles nem sequer são placas planas (o que seria realmente um bom aerofólio no Número Reynolds que eles voam). As dobras normalmente adicionam espessura irregular ao aerofólio, tornando-o um pouco em forma de cunha. Isso adiciona muito arrasto.

Finalmente, você menciona que os aviões de papel que você está acostumado a voar tendem a perder velocidade e empatar. Stalling definitivamente reduz o tempo de planeio. Stalling desperdiça energia. Um deslizamento suave tenderá a permanecer no ar por mais tempo. Um planador real é aparado para deslizar suavemente e não parar.

Os planadores de brinquedo não precisam sofrer os pontos fracos dos aviões de papel. Um bom planador de brinquedo deve ser capaz de voar por pelo menos 10 segundos por voo, em média (ou pelo menos 3 segundos, se você jogar o nível em vez de subir). Os planadores de brinquedo, realmente bem desenhados, podem voar por mais de 20 segundos e os planadores de competição devem poder voar por cerca de 1 minuto.

Se você nunca viu um planador voar antes de pensar que ele está voando por um longo tempo. Aqui está um exemplo (foi o vídeo que me apresentou aos planadores lançados à mão):

O recorde mundial de planadores lançados à mão é de quase 2 minutos:

Estes planadores voam mais que o típico avião de papel porque são bem projetados e são aerodinamicamente mais eficientes. Note que a maioria desses planadores balsa (incluindo o planador recordista mundial) tem aerofólios imperfeitos e com visão ocular. Às vezes, são até triangulares ou têm as bordas inicial e posterior chanfradas. Portanto, o aerofólio não é tão importante quanto o design, o caimento e o equilíbrio (CG) do avião.

Aviões de papel não precisam sugar. Aqui está um clipe do recorde mundial (duração) de um avião de papel:

Portanto, as principais lições são:

1. Equilibre seu avião (ajuste o CG). Isto é verdade para aviões de papel, aviões RC e até aviões reais de todos os tamanhos. O mau CG é o principal motivo pelo qual os aviões param. Existem fórmulas e regras básicas para calcular o CG correto para o seu avião, mas para um avião de papel eu sugiro apenas experimentando adicionando e removendo o peso do nariz (é o que as pessoas fazem com os planadores de balsa).

2. Reduza o arrasto. Para aviões de papel, você pode tentar vincar melhor a dobra para que a peça dobrada seja a mais fina possível. Os planadores podem aumentar a envergadura e escolher aerofólios de baixo arrasto para reduzir o arrasto, mas isso não se aplica aos aviões de papel. Então, novamente, há planadores de papel que têm wingpans relativamente longos (em comparação com aviões de papel típicos) que podem deslizar muito bem:

                                
   Mas isso está entrando na categoria tesoura e fita.

Para manter uma aeronave voando, você precisa continuar adicionando energia. Em uma aeronave com um motor, a energia é principalmente na forma de combustível.

Em um planador, a energia adicional vem da ação de elevação do ar ascendente. Os pilotos de planadores encontrarão áreas de ar ascendente (eles têm instrumentos sensíveis para ajudar nisso) e circulam nessa área para aumentar a altitude. Uma vez que eles tenham altitude suficiente, eles voarão em uma linha mais ou menos reta em direção ao seu destino, parando ao longo do caminho para circular novamente e ganhar mais altitude.

O ar ascendente pode vir de "térmicas" (ar quente borbulhando na atmosfera), "elevação da crista" (ar subindo uma encosta), "elevação da onda" (produzida por montanhas) e outros. Você pode ler mais sobre o lift em Lift (soaring) . Existem diferentes técnicas de voo necessárias para melhor aproveitar cada tipo de levantamento.

O planador e um avião de papel são projetados e operados de maneiras diferentes, o que afeta suas características de estol.

• Ambas as aeronaves trocam uma forma de energia (energia potencial ou altitude) para ganhar outra (energia cinética ou velocidade de avanço). Em geral, os planadores estão em descida (controlada), a menos que encontrem térmicas ou ar ascendente. Isso é o que causa o deslizamento deles. O mesmo acontece com qualquer aeronave sem motor; no entanto, os planadores têm muita altitude para gastar em comparação com o avião de papel.
• Os planadores são projetados para serem altamente aerodinamicamente eficientes, com taxas extremamente altas de sustentação para arrasto, comuns na faixa de 50: 1 ou mais. Isso significa que eles podem planar por longas distâncias, deixados para seus próprios dispositivos. Os aviões de papel não são assim. No entanto, com um design adequado, eles podem voar mais tempo.
• Os planadores são geralmente pilotados por pilotos (qualificados), que sabem como encontrar e utilizar as térmicas acima mencionadas, correntes de ar ascendentes, etc., o que ajuda a aumentar a altitude e manter a aeronave no ar por mais tempo.
• A maioria dos planadores é extremamente estável em comparação com o avião de papel (que geralmente tem apenas uma asa e nenhum estabilizador), o que impede que eles parem quando deixados sozinhos. De fato, em alguns planadores, a melhor maneira de recuperar o controle é liberar os controles. Isso basicamente significa que o planador retorna ao vôo nivelado quando nenhuma entrada de controle é dada.

Você compara duas coisas diferentes, o avião de papel e o planador. Os planadores aproveitam o clima para aumentar sua altitude e sustentar o vôo. Os aviões de papel não experimentam os mesmos fenômenos climáticos que os planadores. E, claro, falta-lhes superfícies de piloto e controle.

Wikipedia menciona 4 maneiras de ganhar energia:

• Thermals (where air rises due to heat),
• Ridge lift, where air is forced upwards by a slope,
• Wave lift, where a mountain produces a standing wave,
• Convergence, where two air masses meet

A partir do momento em que o reboque ou o guincho são soltos, um planador começa a descer. Se a atmosfera estivesse completamente parada, além da velocidade de negociação para a altura, ela logo teria que pousar.

Os planadores são projetados com taxas muito altas de sustentação / arrasto. 40: 1, 50: 1 até 60: 1 ou superior. Eles ficam no ar por longos períodos por causa disso e de sua capacidade de aproveitar e da habilidade dos pilotos em encontrar correntes térmicas e correntes de ar causadas pela turbulência em cumes, montanhas, etc.

Aviões de papel têm um design completamente diferente (você não pode construir um parapente como o que você mostra de papel) e pode voar por muito mais tempo do que alguns segundos.

Muitas pessoas mencionaram a diferença na forma das asas e aerofólios. Mas mesmo que você simplesmente reduza a escala de um planador real para uma envergadura de 5 cm, ele não voará tão bem quanto o grande.

O Número de Reynolds para o plano de pequena escala é muito pequeno e o arrasto viscoso torna-se grande. A turbulência não será strong o suficiente para impedir a separação do fluxo em ângulos de ataque que ainda estão OK para o plano real, porque a camada limite laminar é mais suscetível à separação. A separação reduz strongmente o levantamento gerado e pode levar à paralisação.

Isso não significa que seu avião de papel sempre irá parar, mas você deve ter cuidado com o ângulo de ataque e brincar com o centro de gravidade.

Os modelos pequenos precisam usar especial baixo Reynolds numera os aerofólios , mas nunca será tão eficiente quanto planadores maiores, porque o atrito da pele é tão importante. Até mesmo modelos típicos de planadores controlados por rádio são geralmente muito maiores do que os aviões típicos de papel.

Basicamente, a forma aerodinâmica e a forma da asa, juntamente com o poder do elevador, trabalham juntos para manter o planador por longos períodos de tempo.

De uma forma ou de outra, um objeto voador tem que empurrar o ar para baixo para continuar voando. Dado que o ar é fluido, temos que fazer a mudança no momento do ar pelo menos tão grande quanto o peso da aeronave. Agora:

• força = diferença em (massa * velocidade)

Mas a mudança de energia necessária para fazer isso sozinha é

• mudança na energia = mudança na (massa * velocidade ao quadrado )

Assim, para um voo eficiente, queremos empurrar para baixo uma grande massa de ar com uma pequena mudança na velocidade vertical, em vez de uma pequena massa de ar com uma grande velocidade.

Os planadores, com suas asas longas e magras, são otimizados para fazer isso: eles voam relativamente devagar, interceptando uma massa de ar relativamente grande e empurrando-a suavemente.

No outro extremo, os jatos de decolagem vertical, como o Harrier, precisam adotar a abordagem oposta. Eles precisam voar rápido, por isso, em hover eles empurram para baixo uma massa relativamente pequena de ar muito rapidamente. Isso é terrivelmente ineficiente, então um Harrier não pode ficar por muito tempo antes que seu combustível se esgote.

Além disso, um planador é relativamente leve, já que não precisa carregar combustível ou motor. Também é um pouco mais liso e escorregadio para reduzir a resistência do ar.

Outras pessoas já mencionaram o uso do clima para manter o planador flutuando por mais tempo.

Eu acho que você está perguntando: "Como as asas funcionam?"

As asas dos aviões são modeladas de acordo com o que vimos na natureza. A forma básica é a asa é plana na parte inferior e curvada na parte superior. Essa curva é semelhante a uma curva encontrada em parte de um ovo com a maior parte da largura localizada na frente da asa. (Você pode pesquisar formas mais otimizadas).

O movimento para a frente comprimirá o ar acima da parte dianteira da asa, mas também criará algum arrasto no processo. A parte seguinte da asa se afina lentamente até a borda de fuga. Esta parte da asa é a área que tem o espaço aéreo negativo (elevador). É nesse espaço negativo que todos os aviões confiam. Lâminas de helicópteros e propulsores de motores também fazem uso dessa forma básica.

Uma propulsão inicial de planadores é um reboque, mas depois disso eles dependem da gravidade para a propulsão e a sustentação criada pela forma da asa, além do tempo ajuda.

Comparativamente, [sem usar ferramentas de medição especializadas ou entrar em uma explicação matemática mais alta, o nivelamento de] um avião de papel tem [apenas insignificante] sustentação [quando comparado a uma asa ou asa feita pelo homem otimizada encontrada na natureza] e confia exclusivamente em você por um tempo de propulsão [a menos que você tenha a sorte de encontrar uma grade de escape ou algo parecido para sobrevoar].

A razão pela qual um Glider pode ficar em pé é pela simples razão de que o piloto está lá para ler o tempo e o terreno, e para persuadir a aeronave ao longo de áreas e linhas de sustentação.