Drehen eines Flugzeugs - koordinierte Drehung und Neigungsmesser ("der Ball")

Ich fliege, drehe in einem stabilen Orbit, dh auf konstanter Höhe mit konstantem Querneigungswinkel, mit konstanter Fluggeschwindigkeit, mit konstantem Wenderadius, wie im Bild unten:

Ich fliege entlang der schwarzen gekrümmten Linie. Der Auftrieb ist als blaue Achse (orthogonal zu den Flügeln) gerichtet. Die vertikale Komponente des Auftriebs kompensiert genau die Schwerkraft, und die horizontale Komponente des Auftriebs ist für die Drehung verantwortlich (vergessen Sie die Komponente in Bewegungsrichtung).

Betrachten Sie nun den Neigungsmesser (auch bekannt als der Ball, auch bekannt als Gleichgewichtsanzeiger, auch bekannt als Rutschanzeiger). Die Position des Balls soll mir sagen, ob ich „koordiniert“ an der Reihe bin oder nicht. Wenn der Ball zentriert ist, wird die Drehung koordiniert, ansonsten besteht die normale Praxis darin, Ruder zu verwenden ("auf den Ball treten"), um den Ball zu zentrieren und eine "koordinierte Drehung" zu erhalten.

Da die Umlaufbahn stabil ist, ist der Ball in Bezug auf mich stationär, also muss der Ball genau der gleichen Beschleunigung ausgesetzt sein, die ich fühle. Betrachten Sie den Bezugsrahmen, der wie im Bild am Flugzeug angebracht ist. In diesem nicht-trägen Bezugsrahmen sind die Kräfte, die ich erfahre, die Schwerkraft, der Auftrieb und die (scheinbare) Zentrifugalkraft. Da sich weder ich noch der Ball relativ zum Bezugssystem bewegen, müssen alle diese Kräfte ausgeglichen werden. In meinem Fall wird der Auftrieb auf mich durch den Sitz ausgeübt und im Fall der Kugel durch die Wand des Käfigs/Fläschchens, in dem sie enthalten ist. In beiden Fällen muss die auf die Körper ausgeübte Kraft zum Ausgleich von Schwer- und Zentrifugalkraft in exakt derselben Richtung und Stärke des Auftriebs liegen. Dies kann für die Kugel nur passieren, wenn sich die Kugel am Boden der gebogenen Libelle befindet,

Meine Frage ist also: Wie kann der Ball jemals "aus dem Käfig" sein? Und wie kann sich der Seitenrudereinsatz auf die Ballposition auswirken, wenn das Flugzeug giert, indem es sich um die blaue Achse dreht (also um die Auftriebsrichtung)?

verwandt, auf Aviation.SE: Was zeigt der Balanceball eigentlich an?

Antworten (2)

Der Ball kann außermittig sein, wenn der relative Wind außermittig in der Gierachse ist.

Das Flugzeug hat ein Ruder an der vertikalen Heckflosse und ist mit Pedalen verbunden, auf denen Sie Ihre Füße ablegen. Wenn Sie mit dem rechten Fuß nach vorne drücken, zieht das das Seitenruder nach rechts, wodurch der Wind das Heck nach links drückt und die Nase des Flugzeugs nach rechts schwingt. Dies ändert nicht die Bewegungsrichtung des Flugzeugs, sondern nur seine Lage relativ zu dieser Bewegungsrichtung.

Da der Wind auf die linke Seite des Flugzeugs trifft, spüren Sie ihn sofort als seitliche Kraft – Ihre Schulter drückt gegen die Tür, und der Ball bewegt sich aus der Mitte.

Die Sache mit Kurven ist, dass Sie beim Einfahren in eine Rechtskurve beispielsweise den linken Flügel anheben müssen, indem Sie das Querruder an diesem Flügel drücken. Das hebt nicht nur den linken Flügel, sondern zieht auch die Nase nach links. Das Querruder auf dem gegenüberliegenden Flügel schleppt auch, aber viel weniger. Dieser Querruderwiderstand wird als "Gegengieren" bezeichnet. Um dem ungünstigen Gieren entgegenzuwirken, können Sie das rechte Seitenruder betätigen. Wenn Sie das richtig gemacht haben, bleibt der Ball in der Mitte, und das nennt man eine "koordinierte Drehung". Sobald Sie in der Kurve sind, müssen Sie natürlich nicht weiter in Querlage gehen, sodass Sie sowohl die Querruder als auch das Seitenruder entspannen können. Wenn Sie Ihre gewünschte Richtung erreicht haben und wieder gerade ausrichten möchten, machen Sie das Gegenteil.

Es erfordert ein wenig Übung und fühlt sich großartig an, wenn Sie es richtig machen.

Die andere Verwendung für das Ruder ist eine Seitenwindlandung. Wenn Sie sich der Landebahn nähern, werden Sie seitlich "gekrabbelt", weil Ihre Nase dem relativen Wind zugewandt ist. Wenn Sie auf diese Weise gelandet sind, würden Sie über Ihre Räder stolpern. Bevor Sie also landen, rudern Sie Ihre Nase in Ausrichtung mit der Landebahn (was übrigens diese seitliche Kraft erzeugt). Um zu verhindern, dass die seitliche Kraft und der Wind Sie von der Mittellinie der Landebahn wegtragen, stellen Sie sich in den Wind und drehen sich gleichzeitig effektiv in den Wind, während Sie unkoordiniert sind. Da Sie in Querneigung sind, berührt das untere Rad zuerst. Mit etwas Übung und genügend Wind kann man die gesamte Länge der Piste auf einem Rad fahren und dann wieder abheben.

EDIT: Hier ist ein kleines Bild, das deutlich machen könnte, warum Sie beim Drücken eines Seitenruderpedals eine Querbeschleunigung spüren würden:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Danke Mike, aber ich habe nicht an vorübergehende Manöver (wie das Einfahren in eine Kurve) gedacht . In diesen Situationen spüren Sie ein (vorübergehendes) Ungleichgewicht. Mein Punkt ist, dass in einer stabilen (auch in einer nicht koordinierten) Drehung der Ball aufgrund der obigen Argumentation immer zentriert sein sollte. In Wirklichkeit, wenn Sie zu wenig oder zu viel Ruder einsetzen, wird der Ball herumtanzen (wie in diesem Beispiel: youtube.com/watch?v=G962tc789dQ&feature=related ), und das verstehe ich nicht.
@Marco: Das ist ein ausgezeichnetes Video. Sie veranschaulichen nicht nur das nachteilige Gieren, sondern zeigen auch, was passiert, wenn Sie sich in der Kurve befinden und das Ruder anwenden (mehr oder weniger als erforderlich, um dem nachteiligen Gieren entgegenzuwirken). Die meisten Flugzeuge haben konstruktionsbedingt eine selbstaufrichtende Tendenz, was bedeutet, dass Sie selbst mitten in einer Kurve etwas Querruder anwenden müssen, um die Querneigung und das entsprechende Seitenruder aufrechtzuerhalten.
Ja, es ist ein schönes Video, aber leider erklärt es nicht, warum der Ball aus der Mitte geht. Was im wirklichen Leben passiert, widerspricht meinem Verständnis, wie das Flugzeug um den Auftriebsvektor herum giert Center..". Dies ist zwar ein praktischer Vorschlag, erklärt aber nicht die Physik.
@Marco: Der Pilot bewegt den Ball so, indem er das Seitenruder hin und her drückt, das ist alles. Er muss nicht – er zeigt nur, was passiert, wenn er es tut.
Ja, ich weiß, und das ist das Problem! Es sollte sich nicht bewegen, da sich das Flugzeug um die Wirkungslinie des Auftriebs dreht. Meine Frage kommt daher, dass ich den Effekt erlebe, ihn aber nicht erklären kann. Stellen Sie sich das so vor: Hängen Sie ein kleines Flugzeug an eine Schnur und hängen Sie ein kleines Pendel unter das Flugzeug, wie auf diesem Bild: tinypic.com/r/sqsb2w/6 . Wenn sich das Flugzeug dreht, bewegt sich das Pendel nicht. Wenn Sie jetzt das ganze Los drehen, bleibt das Flugzeug in einem Winkel (gleiche Physik wie das echte), und das Pendel befindet sich in einer Linie mit der Schnur - immer, auch wenn das Flugzeug gedreht/giert wird..
@MikeDunlavey, ich denke, du verfehlst den Punkt. Er versteht, wie der Pilot den Ball bewegt. Er bittet um eine Beschreibung dessen, was mit seinem mentalen Bild von den Kräften, die bewirken, dass sich der Ball bewegt, nicht stimmt.
@ColinK: OK, noch ein Versuch ... Das Flugzeug, das am Pendel hängt, ist nicht in einen Hurrikan gerichtet, aber ein echtes Flugzeug ist es. Wenn Sie das Seitenruder auf eine Seite drücken, drückt der starke Wind mehr auf eine Seite des Flugzeugs als auf die andere, und die Seiten sind flach, sodass das Flugzeug einen seitlichen Auftrieb erfährt, nicht aufgrund der Flügel, sondern aufgrund der Seiten des Rumpfes der Wind. Dieser seitliche Auftrieb ist das, was der Ball zeigt. Hilft das?
nein, denn die von Ihnen erwähnte Kraft würde nur ohne eine entsprechende Kraft erfahren, die die Geschwindigkeit unverändert hält (dh wenn und nur wenn die "seitliche" Komponente der Geschwindigkeit - aufgrund des jetzt seitlichen Auftriebs - abnimmt). Es ist, als würde man in einem Schnellzug seitwärts fahren. Sie spüren den Luftwiderstand nicht, wenn Sie sich mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegen, nur wenn der Motor abschaltet, spüren Sie den Luftwiderstand. Im Fall des Flugzeugs liefert der Propeller die notwendige Kraft, um der seitlichen Drift entgegenzuwirken.
Meine Güte @Marco, meine Erklärungskraft muss erschöpft sein, und ich nehme an, Sie haben Stick and Rudder gelesen und immer wieder gelesen , das beste kleine Buch zu diesem Thema. Also tut mir leid, dass ich nicht mehr helfen konnte.
Danke Mike, und ja, ich habe es gelesen, aber denk daran: Du sitzt in einer Kiste, die sich in Melasse bewegt (viel Luftwiderstand), aber sie wird von einem starken Motor geschoben, der so drückt, dass die Geschwindigkeit der Kiste konstant ist. Würden Sie Luftwiderstand/Beschleunigung spüren? Offensichtlich nicht, oder Sie würden die Beschleunigung auch im Normalfall eines einfachen Geradeausflugs spüren. Im fraglichen Fall würden Sie die Beschleunigung bei der vorübergehenden Änderung der Orientierung (bevor sich das System in der neuen Fluglage einpendelt) spüren, aber nicht nachher.
@Marco: Ziemlich bald wird uns gesagt, wir sollen das mitnehmen, um zu plaudern, aber wenn Sie in einem langen Boot sind und sich mit angemessener Geschwindigkeit durch das Wasser bewegen, und jemand es plötzlich horizontal biegt, spürt es plötzlich eine Kraft, die es drückt zur Seite, das wird eine gewisse Querbeschleunigung erzeugen, und Sie werden es spüren (ich hoffe, Sie stimmen zu). Dasselbe im Flugzeug, egal ob Sie in einer Bank sind oder nicht. OK, ich gebe dir das letzte Wort :)
Ja, ich stimme vollkommen zu! Dies liegt daran, dass der Luftwiderstand unausgeglichen ist, sodass Ihr Körper (durch Trägheit) in der gleichen Richtung weiterfahren möchte, aber das Boot jetzt langsamer wird (Luftwiderstand). Daher müssen Sie sich an die Seite des Bootes lehnen, um sich abzubremsen. ABER ich spreche nicht von einem plötzlichen Gieren in einer ansonsten geraden Flugbahn. Ich spreche von einer Drehung unter Motor, die einfach "leicht seitwärts" mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit ausgeführt wird. In diesem Fall spüren Sie keine seitliche Kraft.
AH!! Ich denke ich habe es! In Ihrer Zeichnung (ich habe es gerade gesehen ...) zeigen Sie eine sogenannte flache Kurve - nur mit Ruder und ohne Querneigung. In diesem Fall dreht die horizontale Kraft das Flugzeug (träge) und JA, Sie würden sehen, wie sich der Ball zur Außenseite der Kurve bewegt (in Ihrem Beispiel nach links). Das Gieren, wenn man sich bereits in einer Kurve befindet (eine richtige mit Querrudern), wäre eine Art flache Kurve auf der koordinierten und würde daher den Effekt haben, dass die ROT leicht verändert UND der Ball aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Meine Gegenbeispiele zu Ihrem Punkt waren falsch / irreführend, weil ...
.. Ich habe nicht berücksichtigt, dass sich die Seitenkraft mit dem Flugzeug dreht und tatsächlich die Zentripetalkraft erzeugt / hinzufügt. Jetzt macht es Sinn! danke für die diskussion..
@Marco: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte :)
..eigentlich war es eher Ihr Beharren auf dem Seitenwiderstand (UND die Tatsache, dass er immer eine Zentripetalkraft erzeugt UND die Tatsache, dass ich dies in meinem Modell völlig ignoriert habe..), aber das Bild war der Auslöser.. Das nächste Mal ich fliegen Ich werde ein paar Experimente machen, mit verbundenen Augen.. :-)
@Marco: Die meisten Flugzeuge sind mit einem V-Winkel konstruiert. Wenn Sie also einfach in eine Kurve rudern, versuchen sie, sich selbst zu neigen. Eine Ausnahme war die Spirit of St. Louis, die einen geraden Flügel und einen kleinen Schwanz hatte. Es gerade zu halten erforderte ständige Aufmerksamkeit auf das Ruder.

In beiden Fällen muss die auf die Körper ausgeübte Kraft zum Ausgleich von Schwer- und Zentrifugalkraft in exakt derselben Richtung und Stärke des Auftriebs liegen. Dies kann für die Kugel nur dann passieren, wenn sich die Kugel am Boden der gewölbten Libelle befindet, denn nur dann steht die Wand der Libelle senkrecht zur senkrechten Richtung (blaue Achse).

Das ist nicht richtig. Wenn die vom Flugzeug erzeugte aerodynamische Nettokraft im eigenen Referenzrahmen des Flugzeugs nicht "gerade nach oben" verläuft (dh parallel zu der Richtung, in die die vertikale Flosse zeigt), befindet sich der Ball im Gleichgewicht, wenn er sich an einem anderen Ort als dem befindet genaue Mitte des gebogenen Glasrohrs.

Und wie kann sich der Rudereinsatz auf die Ballposition auswirken

Indem das Flugzeug seitlich durch die Luft fliegt oder gezwungen wird, so dass die Luft auf die Seite des Rumpfes trifft und eine aerodynamische Seitenkraft (eigentlich eine Form des seitlichen Auftriebs) erzeugt, wie in dieser verwandten Antwort erwähnt . Dies bewirkt, dass der aerodynamische Nettokraftvektor im eigenen Bezugssystem des Flugzeugs in eine andere Richtung als "gerade nach oben" zeigt.

Der entscheidende Punkt ist, dass der Auftriebsvektor vom Flügel nicht die einzige aerodynamische Kraft ist, die auf das Flugzeug wirkt.

Verwandt-- Ist dieses Vektordiagramm der Kräfte, die beim Kurvenflug wirken, korrekt?

Drehen eines Flugzeugs - koordinierte Drehung und Neigungsmesser ("der Ball")
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