¿Cómo puede volar un avión de ala fija con una relación potencia / peso de menos de 1?
Una de las razones por las que corto y pego la pregunta del OP en mis respuestas de Quora es que alguien puede volver más tarde y editar la pregunta. Entonces, el punto en el que estoy hablando en mi respuesta puede parecer absurdo, si no estúpido.
La “relación potencia / peso” es un concepto de uso limitado en el contexto de la aviación. En automóviles y camiones, afecta la capacidad de aceleración del vehículo, más que su capacidad de velocidad máxima. Un automóvil con una alta relación potencia / peso funcionará mejor en una “carrera de arrastre”, acelerando a una velocidad determinada desde un arranque de pie, pero puede o no ser capaz de adelantar o superar un vehículo más pesado para Transporte real de larga distancia. El resultado es un automóvil deportivo liviano pero de potencia razonablemente alta.
Un tren de ferrocarril, por ejemplo, tiene una relación potencia / peso notablemente baja , tarda mucho en acelerar a la velocidad de operación, pero puede transportar grandes cantidades de carga o pasajeros a largas distancias de manera muy eficiente a una velocidad relativamente alta.
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En cualquier caso, las relaciones potencia / peso no son números brutos ; comparan dos variables diferentes . La potencia se define como la capacidad de hacer trabajo, es decir, la fuerza en el tiempo , y generalmente se expresa en newton-metros por segundo (sistema métrico) o vatios o caballos de fuerza (sistema inglés), mientras que el peso se expresa en unidades de masa – kilogramos (métrico) o libras (inglés). Entonces, un automóvil con un motor de 400 caballos de fuerza que pesa 4,000 libras tendría una relación potencia / peso de 0.1 caballos de fuerza por libra.
Quizás OP estaba pensando en el empuje más que en el poder . El “empuje” es una medida de la fuerza aplicada para mover un objeto en una determinada dirección y, como el peso, generalmente se mide en unidades de masa . (El poder es una medida de fuerza a lo largo del tiempo ).
Un momento de reflexión debería mostrar a OP por qué un avión de ala fija más pesado que el aire no necesita una relación de empuje a peso de “uno” para volar.
Generalmente se describen cuatro fuerzas que actúan sobre una aeronave en vuelo estable y no acelerado: elevación, para vencer la gravedad; y empuje, para superar la resistencia.
La elevación se genera por el movimiento del aire sobre las alas (superficies de la superficie de sustentación) debido a la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala, así como (en algún grado) el empuje hacia abajo o en ángulo del aire que se redirige hacia atrás y debajo del borde posterior del ala, por la forma del ala. Cuanto más grande y / o más eficiente es el diseño del ala, menos velocidad de avance necesita para generar una elevación suficiente para superar la gravedad y permitir el vuelo (es decir, la fuerza de elevación “hacia arriba” excederá la fuerza de gravedad “hacia abajo”.
Al igual que un automóvil necesita relativamente poca potencia para superar la fricción y hacerla rodar, en un terreno nivelado, un niño puede empujar una y hacer que se mueva, necesita relativamente poco empuje hacia adelante para continuar rodando incluso a velocidades de crucero en carretera, ya que todo el empuje tiene que superar la fricción para mantener un estado estable de movimiento hacia adelante. Ese automóvil de 400 hp y 4000 libras que mencionamos en realidad está produciendo solo unos 20 hp para superar todas las formas de fricción, incluida la resistencia a la rodadura de las ruedas y la resistencia aerodinámica, para mantener una velocidad de avance constante de, digamos, una milla por día minuto, en un nivel, camino pavimentado.
Del mismo modo, para mantener un vuelo hacia adelante no acelerado y en estado estable, los motores de un avión solo necesitan un empuje suficiente para vencer y contrarrestar la resistencia.
Dependiendo de la velocidad del vuelo de avance, ese número de arrastre puede ser bastante grande y puede requerir una porción sustancial de la potencia máxima de salida del motor (es) del avión para superarlo: a menudo, un avión con motor de pistón y propulsión opera a 75% de la potencia máxima de salida, durante horas y horas.
Eso es suficiente para mantener la velocidad de crucero. Pero no es suficiente escalar, sin agregar más potencia, para aumentar la velocidad y, por lo tanto, aumentar la elevación sobre las alas; O manteniendo la potencia igual pero aumentando el ángulo de ataque (es decir, inclinando la nariz “hacia arriba”), lo que también aumenta la sustentación pero ralentiza el avión debido a la mayor resistencia en esa nueva configuración. (La cuarta fuerza, la gravedad, sigue siendo la misma en todas las condiciones de vuelo, para fines prácticos).
Sin embargo, incluso con la potencia máxima y la actitud máxima de ascenso en la nariz, la mayoría de los aviones de ala fija no están cerca de una relación 1: 1 de empuje: peso.
No lo necesitan La única razón por la que el avión necesita más empuje que el necesario para simplemente superar la resistencia, es para permitirle subir (o ir más rápido, pero supongamos que ya estamos a la velocidad de crucero diseñada por el avión). Y solo se necesita un poco más de empuje que el requerido para el crucero, para que el avión comience a subir.
Al igual que ese tren de ferrocarril, que puede escalar las montañas más altas con una relación potencia-peso bastante baja, porque no las sube abruptamente , las escala gradualmente .
El tren ferroviario requiere que se diseñen pendientes suaves y de ángulo bajo en sus vías para permitir esto; por lo tanto, las pistas deben seguir los contornos de las montañas que están tratando de escalar, hacer retrocesos de un lado a otro si la pendiente es demasiado empinada, o a través de túneles, para mantener un ascenso constante y moderado (Y descenso, por el otro lado).
El avión no necesita esto. Sigue pistas invisibles en el cielo, según lo establecido por el ángulo de ataque y la cantidad de potencia que se aplica, y muy raramente necesita un ajuste de ascenso empinado, de máxima potencia y ángulo de ascenso máximo. Siempre que pueda acelerar lo suficientemente rápido como para despegar del suelo en la longitud de pista disponible, Y subir lo suficientemente alto como para despejar cualquier obstáculo al final de la pista (como árboles y edificios), puede subir tan poco o tan abruptamente, según lo elija el piloto, y como lo permita su exceso de potencia disponible (por encima de lo requerido para superar el arrastre en su configuración actual).
La patada, sin embargo, es considerar lo que realmente significa una relación 1: 1 de empuje: peso .
Eso significaría que los motores del avión generan suficiente empuje para vencer directamente no solo el arrastre, sino también la gravedad, de modo que el avión pueda subir directamente, verticalmente, a esa relación de empuje.
F-15 Despegue rápido y subida vertical loca | Loungtastic
Muy pocos aviones, en su mayoría aviones de combate supersónicos con postquemadores, son capaces de producir más empuje que el peso bruto del avión cargado.
Los cohetes, por supuesto, hacen esto si están configurados para un despegue vertical. Lo mismo ocurre con los aviones VTOL de elevación vectorial, como el Harrier “jump-jet”.
Puede pensar, también lo hacen los aviones de alas rotativas, que también tienen que generar una fuerza suficiente para vencer la gravedad y elevarse verticalmente en un vuelo estacionario, ¿verdad?
Especie de. Obviamente, los helicópteros existían mucho antes de que los motores a reacción suficientemente potentes estuvieran disponibles para proporcionar un empuje mayor que el peso de todo el avión.
Lo que producen las alas giratorias, al igual que las alas fijas, es levantar, no empujar.
El motor de un helicóptero, a menudo no mucho más potente que el de un avión de ala fija de tamaño comparable, hace girar el rotor con furia y alcanza velocidades de punta de rotor que a menudo se acercan al supersónico, al igual que la hélice en una hélice. aeronave de ala fija (que es un perfil giratorio montado en un eje horizontal, en lugar de vertical).
Por lo tanto, las aeronaves de alas rotatorias “trepan” de la misma manera que lo hace una aeronave de ala fija, y de la misma manera que lo hace el ascenso de un tren a otro en una alta montaña, con su relación potencia-peso limitada, pero empuje más que suficiente para superar el arrastre y escalar una mejora suave: unos pocos grados a la vez, una y otra vez, si se sigue el camino de las puntas de las palas del rotor (en realidad, “alas” rotativas, como la clase de aviones que los usan se llama).