Vom Piloten "gefühlte" Kräfte, G-Meter, Neigungsmesser - sind das die vom Flugzeug erzeugten aerodynamischen Kräfte oder die Summe aus Gewicht + Zentrifugalkraft?

Die Antwort liegt in einer Aufschlüsselung des Begriffs Aerodynamik. Es mag offensichtlich sein, aber ich sage es trotzdem: „Aero“ ist das lateinische Wort für Luft.

Ist es dem menschlichen Körper also möglich, eine aerodynamische Kraft wahrzunehmen? Absolut. Sich in einen stürmischen Wind lehnen, die Hand aus dem Autofenster strecken, Fallschirmspringen, sogar das Gefühl einer leichten Brise im Gesicht sind alles Beispiele dafür, wie man eine aerodynamische Kraft spürt.

Ohne direkten Kontakt mit der Außenluft sind andere wahrgenommene Kräfte in einem sich bewegenden Fahrzeug (per Definition) nicht aerodynamisch. Wenn Sie sich in einem Flugzeug (oder Auto oder Zug ...) befinden, spüren Sie die aerodynamische Kraft nicht direkt, außer von den Lüftungsschlitzen. Sie sind effektiv abgedichtet und abgeschirmt von den äußeren Kräften, die auf die Flugzeugzelle einwirken.

Deshalb können Sie den Gang eines Verkehrsflugzeugs hinuntergehen, um die Toilette zu benutzen, ohne gegen 500 Knoten Luftwiderstand anzukämpfen.

Die Schwerkraft ist die primäre Kraft, die vom menschlichen Körper wahrgenommen wird und mit der wir am besten vertraut sind. Bei einem sich bewegenden Objekt kann bei Änderung der Fahrtrichtung eine zusätzliche Kraft wahrgenommen werden. Was Sie fühlen, ist, dass Ihr Momentum zurückgehalten wird. Das nennt man Zentrifugalkraft, und jeder, der schon einmal in einem Auto gefahren ist, hat gespürt, wie sie um eine Ecke fuhr.

Viele würden argumentieren, dass die Zentrifugalkraft keine "echte" Kraft ist. Aus technischer Sicht akzeptiere ich dies und werde diesen Punkt hier nicht argumentieren. Aber es ist leicht zu erkennen, demonstrierbar und bietet dem Laien die beste Erklärung der G-Kraft.

Und es ist real genug: Es ist real genug, um das Wasser in dem Eimer zu halten, den du über deinem Kopf schwingst. Es ist real genug, um Ihren Körper an die Wand genagelt zu halten, wenn der Boden auf dem sich drehenden Gravitron-Fahrgeschäft auf dem Jahrmarkt herunterfällt. Es ist real genug, um in einer flachen Kurve als (vertikale) Schwerkraft missverstanden zu werden, wenn visuelle Hinweise fehlen. Und es ist real genug, um den Jäger oder akrobatischen Piloten bei 7 Gs ohnmächtig werden zu lassen, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Wenn es Ihr Verständnis von "echten" Kräften verbessert, um die Zentrifugalkraft für Berechnungszwecke zu negieren, ignorieren Sie bitte meine Erklärung. Aber wenn Sie versuchen, das, was Piloten im Flugzeug empfinden, mit alltäglicheren Erfahrungen in Verbindung zu bringen, dann bietet diese Antwort vielleicht etwas einfache Klarheit.

Zusammenfassend erzeugen die aerodynamischen Kräfte, die das Flugzeug erzeugt, die Zentrifugalkraft, die (zusätzlich zur Erdanziehungskraft) der Körper erfährt.

Können mehrere dieser Dinge gleichzeitig wahr sein?

Ja. Es geht nur um den Standpunkt, genauer gesagt um das Bezugssystem.

Betrachten wir zunächst einen trivialen Fall: Das Flugzeug steht am Boden, Motor aus. Der Pilot wird spüren, wie sein Gewicht auch ohne aerodynamische Kräfte in den Sitz drückt. Was er spürt, ist die Schwerkraft, und die Kraft ist das Produkt aus seiner Masse und seiner Gravitationsbeschleunigung.

Machen Sie jetzt dasselbe mit dem Flugzeug, das im Horizontalflug fliegt. Die auf den Piloten wirkenden Kräfte sind immer noch dieselben, also ist es wieder die Schwerkraft, die er spürt. Nur dass das Flugzeug jetzt nicht mehr durch sein Fahrwerk und den Boden getragen wird, sondern durch den Flügelauftrieb ( und wieder den Boden ).

Nächster Schritt: Der Pilot fliegt einen Sturzflug, gefolgt von einem 2-g-Klimmzug, was bedeutet, dass der g-Meter 2 g anzeigt. Wieder schauen wir auf den Moment, in dem das Flugzeug waagerecht steht, aber jetzt fliegt es auf einer gekrümmten Flugbahn. Dadurch kommt zu den 1g Schwerkraft eine Zentrifugallast von 1g hinzu und der Pilot spürt die doppelte Gewichtskraft, die er zuvor gespürt hat. Die Erbsenzähler werden jetzt sagen, das ist kein Gewicht, denn Gewicht ist das Produkt aus Masse und Erdbeschleunigung, aber unserem Piloten ist das im Moment egal. Es tut im Hintern weh, das zählt.

Und weder der G-Meter noch der Pilot könnten die Schwerkraft von der Zentrifugalkraft unterscheiden – alle fühlen sich gleich an und nur die Summe von allem wird als ein einziges Gefühl empfunden.

Schalten Sie nun die Bezugssysteme um und betrachten Sie die Umströmung des Flügels. Geschwindigkeit und Anstellwinkel ergeben zusammen eine Auftriebskraft, die doppelt so hoch ist wie das Gewicht, das das Flugzeug im Horizontalflug hatte. Das ist reine Aerodynamik, keine Gravitations- oder Fliehkraftbelastung. Genau genommen ist die aerodynamische Kraft am Flügel sogar noch etwas höher, um den höheren Heckabtrieb durch Trimmung zur Überwindung der Nickdämpfung zu kompensieren. Betrachtet man das gesamte Flugzeug als ein Objekt, so ist seine Gesamtauftriebskraft jetzt doppelt so hoch wie im Horizontalflug.

Diese Kraft wird auf den Pilotensitz und die Instrumententafel übertragen und wirkt dort als Widerstand gegen die Beschleunigung. Je nach Sichtweise wird entweder der Pilot in seinen Sitz beschleunigt oder der Sitz drückt gegen den Piloten. Aktion ist gleich Reaktion.

Nächster Schalter: Die gleiche gekrümmte Flugbahn, aber jetzt in dem Moment, in dem das Flugzeug invertiert ist. Nun heben sich Zentrifugal- und Erdbeschleunigung auf, der g-Meter zeigt Null an und der Pilot fühlt sich schwerelos. Dazu müssen die Piloten den Steuerknüppel nach vorne drücken und den Flügelauftrieb auf etwa Null reduzieren, sonst würde der Flügelauftrieb das Flugzeug nach unten ziehen. In diesem Moment haben wir keinen aerodynamischen Beitrag zu den vertikalen Kräften, die sowohl vom Piloten als auch vom g-Meter gefühlt werden.

Jetzt drückt der Pilot den Steuerknüppel noch weiter nach vorne, sodass seine Flugbahn wieder gerade und eben wird, nur mit dem Flugzeug in Rückenlage. Der G-Meter zeigt jetzt -1 g an, die Kraft des Gurtzeugs, die auf die Schultern des Piloten drückt, ist wieder sein Gewicht mal Erdbeschleunigung, aber was es dem Gurtzeug ermöglicht, den Piloten zu stützen, ist der Auftrieb des Flügels, an dem das Gurtzeug befestigt ist. Ändern Sie Ihr Bezugssystem, und es ist wieder die Aerodynamik, die der Pilot spürt. Lassen Sie ihn mit dem Steuerknüppel wackeln und die Änderung der Aerodynamik ist sofort auf seinen Schultern zu spüren.

Es ist die seitliche Beschleunigung des Objekts aufgrund eines Wechsels von einer geraden zu einer gekrümmten Bahn. Sie sind einfach mit dabei. Wenn Sie einen Ball an einer Schnur in einer vertikalen Ebene herumdrehen, können Sie es meiner Meinung nach als Auftriebsvektor betrachten, der die Schnur ist. Wenn der Ball den Boden des Bogens passiert, haben Sie Zentrifugalkraft (der Ball wird gezwungen, sich in einem Bogen zu bewegen) plus Schwerkraft, die Spannung auf die Saite ausübt. Die Saite oder die Hebekraft wird dem Gewicht der Kugel plus der Zentrifugalkraft ausgesetzt, die durch die Bewegung auf einem Bogenweg aufgebracht wird. Sowohl das Flugzeug als auch Sie als Pilot spüren Ihr Gewicht plus die Vergrößerung Ihres Gewichts aufgrund der Beschleunigung, die durch meine Bewegung in einem Bogen erzeugt wird, wenn Sie sich am unteren Ende der Schleife befinden, und fühlen (und die Struktur des Flugzeugs ausgesetzt),

Und oben ist es Zentrifugalkraft MINUS Schwerkraft. Wenn die Drehung in der sich drehenden Schnur/Kugel zu langsam ist, wird die Zentrifugalkraft geringer als die Schwerkraft, die Schnur wird schlaff und die Kugel fällt. Wenn die Drehung im Flugzeug zu langsam ist oder Sie mit dem Höhenruder nicht den richtigen Bogen halten, gehen Sie auf Null G, die Flügel machen überhaupt keinen Auftrieb (schlaffe Saite) und können aus der Spitze fallen des Loopings, wenn Sie versuchen, den Flügel umgekehrt fliegen zu lassen, um den Bogen des Loopings zu halten (so geraten Piloten in umgekehrte Drehungen), oder Ihr Looping wird mindestens D-förmig und die Richter markieren Sie oder das Airshow-Publikum buht.

Was der Pilot also spürt, ist die Schwerkraft plus oder minus der Beschleunigung, die durch die Bewegung auf einem nichtlinearen Pfad entsteht. Am Ende einer Schleife ist die scheinbare Schwerkraft unten, aber vergrößert. An der Spitze der Schleife liegt die scheinbare Schwerkraft darüber, da die durch die Bogenbewegung verursachte Querbeschleunigung größer ist als die Schwerkraft (am oberen Ende einer Schleife spüren Sie normalerweise vielleicht ein Viertel bis ein halbes G, weil die Zentrifugalbeschleunigung etwa 1,2-1,5 beträgt G insgesamt; wenn Sie es kaum über die Spitze schaffen und bei nur 1 G Zentrifugalbeschleunigung landen, wird sie durch die Schwerkraft vollständig aufgehoben und Sie fühlen sich schwerelos und stehen kurz vor dem Herausfallen - am besten nicht drücken, besonders wenn Sie kein umgekehrtes Kraftstoff- und Ölsystem haben).

Beim Schleudern ist es genau die gleiche seitlich aufgebrachte Beschleunigung, die sich mit der Schwerkraft summiert, um eine neue "scheinbare" Schwerkraft bereitzustellen. Drehen Sie den Ball auf der Schnur horizontal, aber langsam, so dass die Bewegung der Schnur einen Kegel beschreibt. Der Winkel der Saite ist die "scheinbare" Schwerkraft, die der Ball spürt, und ist auch das, was Sie beim Schleudern in einem Flugzeug als "unten" wahrnehmen. Neigen Sie das Flugzeug in einen Winkel, der der Geschwindigkeit der Richtungsänderung entspricht, und jetzt ist die scheinbare Schwerkraft auf die vertikale Achse des Flugzeugs ausgerichtet und das Wasserglas auf der Instrumententafel befindet sich auf gleicher Höhe mit der Instrumententafel, als ob Sie stationär wären und alles richtig wäre mit der Welt.

Die Summe der Trägheitskräfte im Rumpf des Flugzeugs ist gleich groß und entgegengesetzt gerichtet wie die Summe aller äußeren Kräfte (was für Flugzeuge aerodynamische Kräfte und Schub bedeutet), die auf das Flugzeug einwirken.

• Pro zweitem Bewegungsgesetz$a = \frac{F}{m}$. Da das Flugzeug nicht in einem an sich befestigten Referenzrahmen beschleunigt, müssen die äußeren und Trägheitskräfte darin ausgeglichen werden. Sie wirken als Aktions- und Reaktionspaar auf Objekte im Inneren des Flugzeugs wie die Rutschkugel oder den Piloten.
• Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft lokal nicht von der Beschleunigung des Referenzrahmens zu unterscheiden und verhält sich für alle Zwecke wie eine Trägheitskraft. Daher bedeuten externe Kräfte nur die aerodynamischen Kräfte und den Schub (Propellerschub kann in aerodynamische Kräfte einbezogen werden, Raketenschub sollte es jedoch nicht sein und für Strahlschub ist es etwas unklar).

Also zu sagen, Sie spüren die aerodynamischen Kräfte oder Sie spüren die Schwerkraft und die Zentrifugalkräfte, ist gleichermaßen gültig und nur eine Frage des Standpunkts.

Die einzigen Kräfte, die ein Pilot spürt, sind die aerodynamischen Kräfte aus dem Druck der Atmosphäre auf der Oberfläche des Flugzeugs und der Schub der Triebwerke. Im Gegensatz zu allgemein akzeptierten Konzepten ist die Schwerkraft keine „Kraft“. Es ist nur ein künstliches Konstrukt, das wir verwenden, um die Mathematik zum Laufen zu bringen, weil wir im Allgemeinen die Bewegung von Dingen (wie einem Flugzeug) in einem beschleunigten Referenzrahmen (FOR) messen. Wenn sich das Flugzeug im freien Fall befände (Null AOA und Null Auftrieb), würde der Pilot tatsächlich nur die Kraft der Triebwerke und die Kraft des aerodynamischen Formwiderstands spüren. Im Horizontalflug spürt der Pilot ein zusätzliches „G“ an Kraft, das auf seinen Hintern drückt, da die Flugzeugzelle zusätzlichen Auftrieb (eine aerodynamische Kraft senkrecht zum Flugbahnvektor und zur Erde) erzeugt, der ausreicht, um eine konstante Höhe aufrechtzuerhalten. Einerseits Der Pilot spürt keine „Zentrifugalkraft“. „Zentrifugalkraft“ ist ein weiteres künstliches Konstrukt oder eine „fiktive Kraft“, die wir verwenden, weil wir Dinge in nicht-trägheitsbezogenen (beschleunigten) FORs messen. Ein rotierendes FOR ist ein beschleunigtes FOR. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. „Zentrifugalkraft“ ist ein weiteres künstliches Konstrukt oder eine „fiktive Kraft“, die wir verwenden, weil wir Dinge in nicht-trägheitsbezogenen (beschleunigten) FORs messen. Ein rotierendes FOR ist ein beschleunigtes FOR. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. „Zentrifugalkraft“ ist ein weiteres künstliches Konstrukt oder eine „fiktive Kraft“, die wir verwenden, weil wir Dinge in nicht-trägheitsbezogenen (beschleunigten) FORs messen. Ein rotierendes FOR ist ein beschleunigtes FOR. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. Wir verwenden wegen der Messung von Dingen in nicht-trägen (beschleunigten) FORs. Ein rotierendes FOR ist ein beschleunigtes FOR. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. Wir verwenden wegen der Messung von Dingen in nicht-trägen (beschleunigten) FORs. Ein rotierendes FOR ist ein beschleunigtes FOR. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. Was der Pilot spürt, ist die zusätzliche aerodynamische Kraft auf die Flugzeugzelle, die erforderlich ist, um das Flugzeug zu drehen (die Bewegungsrichtung zu ändern). keine zusätzliche Kraft spüren. Dies wegzuerklären, indem man auf die „Zentrifugal“-Kraft zurückgreift und es dann als Ausgleich einer anderen fiktiven „zentripetalen“ Kraft betrachtet, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. und dann daran zu denken, eine andere fiktive „zentripetale“ Kraft auszugleichen, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken. und dann daran zu denken, eine andere fiktive „zentripetale“ Kraft auszugleichen, fügt nur unnötige Komplexität hinzu. Alle Kräfte, die Sie spüren, sind auf die aerodynamischen Kräfte zurückzuführen, die auf die Oberfläche der Flugzeugzelle (und des Triebwerks) drücken.

In der Tat, wenn Sie ein wenig über Gravitation lesen, werden Sie erfahren, dass Newtons Gravitationstheorie, in der sie als „Kraft“ dargestellt wird, obwohl sie in 99,999 % der uns bekannten Fälle fast korrekte Antworten liefert, tatsächlich ist absolut falsch. Einstein zeigte und bewies, dass Gravitation der Effekt von Masse ist, der die Krümmung der Raumzeit derart verzerrt, dass alles, was sich relativ zu einem inertialen (nicht beschleunigten) Bezugssystem bewegt, sich „scheinbar“ in a bewegt gekrümmter Weg.

Im FOR der Erde „was dir bleibt, ist die Schwerkraft“. Aber du fühlst das NICHT. Was Sie spüren, ist die Kraft des Auftriebs an den Flügeln. "Schwerkraft" ist das Ergebnis des Rahmenübersetzungstensors, den Sie verwenden würden, um Antworten, die von einem FOR abgeleitet wurden, in ein anderes FOR zu übersetzen, wenn die beiden fraglichen FORs relativ zueinander beschleunigt werden. Um die Dinge auszugleichen, müssen Sie ein künstliches oder fiktives anwenden "Kraft", (die nicht gefühlt wird ), um die Dinge ins Gleichgewicht zu bringen. Schauen Sie sich Inertial_frame_of_reference an . Schauen Sie sich insbesondere den dritten Absatz an, nämlich:

In einem nicht-trägen Bezugsrahmen in der klassischen Physik und der speziellen Relativitätstheorie variiert die Physik eines Systems in Abhängigkeit von der Beschleunigung dieses Rahmens in Bezug auf einen Trägheitsrahmen, und die üblichen physikalischen Kräfte müssen durch fiktive Kräfte ergänzt werden.
* Meine Kursivschrift *

und der letzte Satz:

Ein weiteres Beispiel für eine solche fiktive Kraft, die mit rotierenden Referenzrahmen verbunden ist, ist der Zentrifugaleffekt oder die Zentrifugalkraft.

Eine der coolsten Darstellungen dieses Konzepts befindet sich in einem Buch über Gravitation und zeigt, wie die Bahnen eines geworfenen Baseballs, einer Kugel und eines Lichtstrahls, die sich von einem Punkt zum anderen bewegen, genau dieselbe Krümmung haben, wenn sie im Raum grafisch dargestellt werden -Zeit (in einem um ein G beschleunigten Bezugsrahmen), im Gegensatz zu ihrem Weg im gewöhnlichen 3D-Raum. Wenn diese alle in einem Null-G (Trägheits-)Bezugssystem (freier Fall) grafisch dargestellt würden, würden sie alle scheinen, als würden sie sich in einer absolut geraden Linie bewegen.

Endeffekt. All die Komplexitäten und fiktiven künstlichen "Kräfte", die wir verwenden, um die Kräfte zu erklären, die auf sich bewegende Objekte wirken, sind nur notwendig, weil wir die Bewegung in einem linearen oder rotationsbeschleunigten Bezugsrahmen messen. Wir müssen uns zusätzliche falsche "Kräfte" wie Schwerkraft und Zentrifugalkraft einfallen lassen, um die Dinge zu erklären, weil wir versuchen, die Beschleunigung in einem Bezugsrahmen (der Erde) zu messen, der BEREITS BESCHLEUNIGT! Die einzigen wirklichen Kräfte, die auf das Flugzeug wirken, sind die Kraft der Luft, die auf das Flugzeug drückt (aerodynamische Kräfte) und der Schub des/der Triebwerke.

In dieser Antwort verwenden wir „fühlen“ oder „gefühlt“, um die Kraft oder Beschleunigung zu bezeichnen, die vom Piloten wahrgenommen und durch die Flugzeugstruktur als Spannungen oder Belastungen übertragen wird. In einer "schwerelosen" Situation ist die Nettokraft oder -beschleunigung nicht Null, aber die "gefühlte" Kraft oder Beschleunigung ist Null.

Es ist berechtigt zu argumentieren, dass die vom Piloten "gefühlte" und von den Instrumenten im Flug registrierte Kraft oder Beschleunigung einfach die vom Flugzeug erzeugte aerodynamische Nettokraft oder -beschleunigung ist. Um die tatsächlich auf das Flugzeug wirkende Nettokraft zu erhalten, müssen wir die Schwerkraft zu den aerodynamischen Kräften hinzufügen. Mit anderen Worten, die "gefühlte" Kraft oder Beschleunigung ist die Nettokraft oder -beschleunigung, die auf das Flugzeug wirkt, abzüglich der Kraft oder Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft.

Beispiele--

1) Gerader und ebener aufrechter Flug - Nettobeschleunigung Null, Nettokraft Null, "gefühlte" Beschleunigung 1-G in Aufwärtsrichtung, vom Piloten "gefühlte" Kraft ist einfach gleich seinem Gewicht, das in Aufwärtsrichtung wirkt. Diese Kraft ist die von den Flügeln erzeugte aerodynamische Auftriebskraft, die durch die Flugzeugstruktur auf die Unterseite des Sitzes und dann auf den Körper des Piloten übertragen wird.

2) Am oberen Ende einer Schleife umgedrehtes Flugzeug – wieder sind die vom Piloten "gefühlte" Beschleunigung und Kraft einfach das Ergebnis der vom Flugzeug erzeugten aerodynamischen Nettokraft. Wenn die Flügel einen positiven Auftrieb erzeugen, fühlen der Pilot und der G-Meter positive Gs, und wenn die Flügel einen negativen Auftrieb erzeugen, fühlen der Pilot und der G-Meter negative Gs. Wenn die Flügel keinen Auftrieb erzeugen, fühlen der Pilot und der G-Meter null G (Schwerelosigkeit).

3) Koordinierte Drehung im stationären Zustand – die aerodynamische Nettokraft, die durch das Flugzeug erzeugt wird, ist einfach der Auftriebsvektor des Flügels, der keine laterale (seitliche) Komponente im Bezugsrahmen des Flugzeugs enthält. Die Gleit-Gleit-Kugel ist zentriert. Inzwischen ist die Nettokraft einschließlich der Schwerkraft der rein horizontale Kraftvektor – der zentripetale Kraftvektor – der die Drehung antreibt. Dieser Kraftvektor hat eine laterale (seitliche) Komponente im Bezugssystem des Flugzeugs, dennoch ist die Rutsch-Kugel-Kugel zentriert.

4) Wenden Sie mit etwas Seitenschlupf – die Nase des Flugzeugs darf zur Außenseite der Kurve zeigen. Der Luftstrom trifft seitlich auf den Rumpf und erzeugt eine aerodynamische Seitenkraft. Jetzt enthält die vom Flugzeug erzeugte aerodynamische Nettokraft eine seitliche (seitliche) Komponente, sodass der Rutschball zur Innenseite der Kurve fährt und der Körper des Piloten dazu neigt, sich zur inneren Wand des Cockpits zu neigen der Wende.

Doch wenn wir unser Flugzeug nehmen und es an eine Achterbahn schrauben und es durch Schleifen, flache Kurven usw. fahren, "fühlt" der Pilot immer noch scheinbare Kräfte, und der G-Meter und der Neigungsmesser geben immer noch Hinweise. Was verursacht diese scheinbaren Kräfte? (Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass sich die Achterbahn in einem Vakuum befindet.)

Wir können sagen, dass diese scheinbaren Kräfte vollständig auf die Kräfte zurückzuführen sind, die von den Schienen der Achterbahn auf die Räder der Achterbahn ausgeübt werden, wobei die Schwerkraft keine Rolle spielt. Dies ist analog zu der Aussage, dass die im Flug "gefühlten" Kräfte ausschließlich auf die vom Flugzeug erzeugten aerodynamischen Kräfte zurückzuführen sind, wobei die Schwerkraft keine direkte Rolle spielt.

Wir können jedoch auch sagen, dass diese scheinbaren Kräfte vollständig auf die kombinierte Wirkung der Schwerkraft und der "Zentrifugalkraft" zurückzuführen sind. Wenn wir eine Schleife in der Achterbahn nicht mit genügend Geschwindigkeit beginnen, um rundum positive Gs aufrechtzuerhalten, werden wir natürlich kopfüber in den Sicherheitsgurten hängen, wenn wir über die Spitze fahren.

Der Schlüssel zur Versöhnung dieser Standpunkte liegt darin, genau zu verstehen, was „Zentrifugalkraft“ ist. Es ist die scheinbare Kraft, die durch eine Krümmung in der Flugbahn eines Fahrzeugs entsteht. Es ist keine wirkliche Kraft. Es ist im Grunde nur das Spiegelbildder realen Kräfte, die wirken, um die Bahn eines Fahrzeugs zu krümmen. Für (fast) jede Zentripetalkraft, die wirkt, um eine Krümmung in der Bahn eines Fahrzeugs anzutreiben, können wir sagen, dass die Insassen eine scheinbare „Fliehkraft spüren“, die in die andere Richtung wirkt. Wenn wir in einem Auto auf ebenem Boden eine schnelle Linkskurve machen, erzeugen die Reifen eine echte Kraft nach links, und wir sagen, wir nehmen eine Zentrifugalkraft nach rechts wahr und werden gegen die rechte Innenwand geschleudert von dem Auto. Wenn wir verstehen wollen, in welche Richtung eine rutschende Kugel abgelenkt würde, könnten wir die tatsächliche Zentripetalkraft der Reifen oder die scheinbare „Zentrifugalkraft“ berücksichtigen, die durch die resultierende Drehrate erzeugt wird, aber nicht beides. Betrachten wir beide Kräfte, Wir haben am Ende eine Nettokraft von null – sie würden sich gegenseitig aufheben – und sagen voraus, dass der Rutsch-Gleit-Ball überhaupt nicht abgelenkt wird. Das wäre falsch. Wir können scheinbare "Zentrifugalkraft" nicht mit echter Zentripetalkraft mischen und anpassen. Wir müssen das eine oder andere verwenden.

In diesem Zusammenhang verwenden wir „scheinbar“ nicht im Sinne von „die gefühlte Komponente von“. Wir verwenden „scheinbar“ nur, um uns daran zu erinnern, dass „Zentrifugalkraft“ nicht wirklich existiert.

Wir haben festgestellt, dass „für (fast) jede Zentripetalkraft, die wirkt, um eine Krümmung anzutreiben, wir sagen können, dass die Insassen eine „Fliehkraft“ ,fühlen‘, die in die andere Richtung wirkt“. Warum "fast"? Weil wir keine Zentrifugalkraft „fühlen“, die durch eine schwerkraftbedingte Krümmung in der Flugbahn eines Fahrzeugs verursacht wird. (Betrachten Sie die Kräfte, die ein Astronaut im Orbit spürt.)

Warum ist die Schwerkraft so eine besondere Kraft? Kräfte von Flügeln und Kräfte von Rädern müssen durch die Flugzeugstruktur und zur Außenseite des Körpers des Piloten übertragen werden. Dadurch entstehen Spannungen und Spannungen in der Flugzeugstruktur und im Körper des Piloten. Im Gegensatz dazu übt die Schwerkraft eine gleiche Beschleunigung pro Masseneinheit auf jedes Molekül der Flugzeugstruktur und auf jedes Molekül des Körpers des Piloten aus, wodurch keine Spannungen oder Dehnungen erzeugt werden, dh keine Verschiebung eines Teils der Struktur oder des Körpers relativ zu einem anderen Teil. Ebenso hat die Schwerkraft keine Tendenz, irgendein Element eines dieser Instrumente in Bezug auf ein anderes Element zu verschieben, es sei denn, wir betrachten das äußere Gehäuse der Gleit-Kugel-Kugel oder des G-Meters als starr im Raum fixiert. Zum Beispiel, die Schwerkraft hat keine Tendenz, die Inklinometerkugel innerhalb des Glasrohrs zu einer Seite zu ziehen, selbst wenn das Rohr relativ zur Erde geneigt ist. (Wir gehen davon aus, dass unser Instrument viel kleiner als planetarisch ist, sodass Gezeiteneffekte getrost ignoriert werden können!)

Wir haben „Zentrifugalkraft“ als scheinbare Kraft definiert, die das Spiegelbild der Netto-Zentripetalkraft ist, die wirkt, um eine Kurve in der Flugbahn eines Fahrzeugs zu fahren. Wenn die Schwerkraft nicht „gefühlt“ wird, was ist dann die „gefühlte“ Komponente dieser scheinbaren „Zentrifugalkraft“?

Da die Schwerkraft bereits in die Nettozentripetalkraft "eingebaut" ist, die die Flugbahn eines Fahrzeugs bestimmt, folgt daraus, dass eine scheinbare Aufwärtskraft entgegen der Schwerkraft bereits in die scheinbare "Zentrifugalkraft" "eingebaut" ist, die mit dieser Zentripetalkraft gepaart ist. Das bedeutet, dass die „gefühlte“ Zentrifugalkraft gleich der gesamten Zentrifugalkraft plus Schwerkraft ist. Genauso wie die „gefühlte“ Zentripetalkraft gleich der gesamten Zentripetalkraft abzüglich der Schwerkraft ist.

(Hinweis - es ist wirklich nur die Komponente der Schwerkraft, die senkrecht zur Flugbahn wirkt, die in den Zentripetalkraftvektor "eingebaut" ist. Der Einfachheit halber gehen wir bei der Diskussion der "Zentripetalkraft" in dieser Antwort davon aus Wir betrachten die Flugbahn des Fahrzeugs an einem Punkt, an dem die Flugbahn nicht steigend oder fallend, sondern genau horizontal ist und somit der volle Gewichtsvektor senkrecht zur Flugbahn wirkt.Alternativ könnten wir in Begriffen einer dreidimensionalen Vektorsumme denken eher als zweidimensional.)

Der entscheidende Punkt ist hier nicht, darüber zu streiten, ob "Fliehkraft" tatsächlich existiert oder nicht. Der Schlüssel hier ist vielmehr zu erkennen, dass wir von einer Situation ausgehen, in der die genaue Flugbahn bekannt ist, und dann berechnen wir die zentripetale (oder zentrifugale) Kraft, die an der Erstellung dieser Flugbahn beteiligt ist, und dann subtrahieren wir davon (oder Hinzufügen) der Schwerkraft, um die "gefühlte" Komponente dieser zentripetalen (oder zentrifugalen) Kraft zu erhalten.

Im Wesentlichen ist "Zentripetalkraft" nur eine andere Art, "Nettokraft" zu sagen, außer dass wir Komponenten verwerfen, die eher tangential als senkrecht zur Flugbahn wirken. Im Zusammenhang mit dem Fliegen sind sowohl die aerodynamischen Kräfte als auch die Schwerkraft in das Konzept der "Zentripetalkraft" eingebaut. "Zentrifugalkraft" ist eine scheinbare Kraft oder Pseudokraft, die gleich und entgegengesetzt zu der echten "Zentripetalkraft" ist.

Im Fall einer Achterbahn wäre die "gefühlte" Komponente der Zentripetalkraft die Kraft, die von den Schienen auf die Räder ausgeübt wird, und die "gefühlte" Komponente der Zentrifugalkraft wäre gleich und entgegengesetzt. Im Fall eines Flugzeugs wäre die "gefühlte" Komponente der Zentripetalkraft die vom Flugzeug erzeugte aerodynamische Kraft, und die "gefühlte" Komponente der Zentrifugalkraft wäre gleich und entgegengesetzt. Ob wir sagen wollen, dass Pilot, G-Meter und Neigungsmesser auf die "gefühlte" Komponente der Zentripetalkraft oder die "gefühlte" Komponente der Zentrifugalkraft reagieren, ist eigentlich nur eine Frage der Konvention, aber nur die erstere tatsächlich existiert.

All diese drei Dinge sind also wahr:

1) "Gefühlte" Kraft = aerodynamische Kraft = Nettokraft minus Schwerkraft

Und

2) "Gefühlte" Kraft = Netto-Zentripetalkraft minus Schwerkraft

Und

3) "Gefühlte" Belastung (das Gefühl von scheinbarem Gewicht aufgrund der Beschleunigung durch eine Kraft) = (Netto-"Zentrifugalkraft" plus Schwerkraft) / Masse

Wir gehen hier von der Konvention aus, dass die gefühlte „Belastung“ der gefühlten „Kraft“ bzw. gefühlten „Beschleunigung“ entgegenwirkt, genauso wie die scheinbare „Fliehkraft“ der tatsächlichen Zentripetalkraft entgegenwirkt.

Ob wir mit „zentripetalen“ oder „zentrifugalen“ Kräften arbeiten wollen, ist eigentlich nur eine Frage der Konvention. Nur die "zentripetalen" Kräfte sind wirklich real. Um die "gefühlte" Komponente zu erhalten, subtrahieren wir im ersten Fall die Schwerkraft und fügen im letzteren Fall die Schwerkraft hinzu. Dadurch, dass die Schwerkraft nicht wirklich „gefühlt“ werden kann, ist sie doch bereits in die zentripetalen und „zentrifugalen“ Kräfte „eingebaut“.

Beachten Sie auch, dass wir durch die Angabe von "zentripetal" (oder "zentrifugal") sagen, dass wir die interessierenden Kraft- und Beschleunigungskomponenten auf diejenigen beschränken, die senkrecht (orthogonal) zur Flugbahn wirken, und diejenigen außer Acht lassen, die parallel wirken (Tangente). ) zur Flugbahn. Die erste Gleichung in der obigen Liste von dreien hat diese Einschränkung nicht.

Oft sieht man Diagramme in Flugtrainingshandbüchern, die versuchen, die "Zentrifugalkraft" als nur eine Komponente von mehreren Kräften zu behandeln, die wirken, um die Flugbahn zu krümmen. Es wurden viele Diagramme veröffentlicht, auch von der FAA, die die Auslenkung der Gleitkufenkugel im Wendeflug als auf ein Kräftegleichgewicht zwischen "Zentrifugalkraft" und "Schwerkraft" und Auftrieb oder zwischen "Zentrifugalkraft" zurückzuführen darstellen “ und heben. (Seltsamerweise wird die echte aerodynamische Seitenkraft, die durch den seitlich durch die Luft fliegenden Rumpf verursacht wird, ausnahmslos weggelassen.) Zunächst scheint dies intuitiv richtig zu sein - wenn Sie die Schwerkraft ins Bild bringen, anstatt nur die Zentrifugalkraft allein zu berücksichtigen, warum dann nicht? auch ins Bild heben? Aber dieser Ansatz funktioniert einfach nicht. Die Wirkung des Auftriebsvektors ist bereits im Fliehkraftvektor enthalten. Um die in einer koordinierten oder unkoordinierten Kurve "gefühlten" Kräfte zu erklären, müssen wir mit den tatsächlichen aerodynamischen Kräften arbeiten, oder wir müssen mit dem Gleichgewicht zwischen "Zentrifugalkraft" und Schwerkraft arbeiten, was im Wesentlichen dasselbe ist wie Arbeiten in Bezug auf das Gleichgewicht zwischen Zentripetalkraft und Schwerkraft. Ein Diagramm, das Schwerkraft, Zentrifugalkraft,und Lift kann einfach kein Wasser halten.

Wenn die Flugbahn vollständig eingeschränkt ist, funktioniert der Ansatz "Zentrifugalkraft plus Schwerkraft" (oder "Zentripetalkraft minus Schwerkraft") gut. Wenn zum Beispiel bekannt ist, dass die Flugbahn linear ist, dann ist die Zentrifugalkraft bekanntermaßen Null, und die Rutschkugel funktioniert als Wasserwaage und sagt uns, wo unten ist.

Aber in vielen Situationen ist die Flugbahn nicht darauf beschränkt, linear zu sein. Anders als im Fall der Achterbahn kann der Wenderadius auch frei variieren, wenn die Auftriebskraft variiert wird, und die Flugbahn kann sich auch in der vertikalen Ebene frei nach oben und unten krümmen. Deshalb ist es so sinnvoll, den Standpunkt einzunehmen, dass die im Flug "gefühlten" Kräfte einfach die realen aerodynamischen Kräfte sind, die vom Flugzeug erzeugt werden, wobei Schwerkraft und "Fliehkraft" keine direkte Rolle spielen.

Betrachten Sie zum Beispiel diese verwandte ASE-Antwortdarüber, warum ein Segelflugzeug am oberen Ende der Schleife eine negative G-Last erfuhr. Wenn wir uns vorstellen, dass die Schleife gezwungen ist, einer vordefinierten Spur mit einem festgelegten Radius wie eine Achterbahn zu folgen, könnten wir uns vorstellen, dass die Erklärung einfach darin besteht, dass wir nicht mit genug Geschwindigkeit gestartet sind, um genügend „Zentrifugalkraft“ zu erzeugen, um entgegenzuwirken der Schwerkraft und "umrunden", ohne lose in den Gürteln zu hängen. Aber wenn wir erkennen, dass die Flugbahn nicht gezwungen ist, einer vordefinierten Spur zu folgen, ist es nützlicher zu erkennen, dass der Flügel mit einem negativen Anstellwinkel geflogen sein muss, wenn wir eine negative G-Belastung "gefühlt" haben negativen Auftrieb erzeugen. Was die Frage aufwirft: „Warum erzeugte der Flügel negativen Auftrieb – mit dem Steuerknüppel ganz nach hinten? Warum blieb der Anstellwinkel nicht positiv,

Die Idee, dass eine koordinierte Kurve ein "Gleichgewicht" zwischen Zentrifugalkraft und Schwerkraft aufweist, mag technisch wahr sein, hat jedoch keine Erklärungskraft, insbesondere im Zusammenhang mit einer Flugbahn, die in drei Dimensionen frei variieren kann, da der Auftrieb und andere Variablen sind abwechslungsreich sein, anstatt wie bei einer Achterbahn auf einer bereits vorhandenen Strecke fahren zu müssen. Es zeigt nicht, dass der Schlüsselfaktor bei einer "koordinierten" Kurve einfach darin besteht, dass der Rumpf zum Luftstrom stromlinienförmig ist, sodass das Flugzeug keine aerodynamische Seitenkraft erzeugt und somit keine aerodynamische Kraftkomponente in seitlicher (seitlicher) Richtung hat in Bezugsrahmen des Flugzeugs. Es kann zu der Annahme verleiten, dass bei einem Seitenschlupf eine ungewöhnlich niedrige Wendegeschwindigkeit irgendwie die Ursache istdass das Flugzeug seitwärts durch die Luft gleitet, anstatt zu verstehen, dass das Flugzeug gezwungen oder zugelassen wird, seitwärts durch die Luft zu fliegen, was eine aerodynamische Seitenkraft (sowie einen Luftwiderstand) erzeugt, was zu einer Verringerung der Wendegeschwindigkeit führt. Es kann zu der Annahme führen, dass ein Pilot den Anstellwinkel irgendwie anpassen sollte, um die "richtige" Auftriebskraft für die Fluggeschwindigkeit und den Querneigungswinkel zu erhalten, sonst rutscht das Flugzeug zur Innenseite der Kurve ab. (Fußnote hinzugefügt werden.)

Kurz gesagt, der Ansatz "Zentrifugalkraft plus Schwerkraft" ist oft nicht die nützlichste Methode, um das Problem zu betrachten, wenn die Flugbahn frei variieren kann, anstatt auf eine bestimmte Form wie eine gerade Linie oder eine perfekt kreisförmige Schleife beschränkt zu sein vordefinierten Radius oder ein runder horizontaler Kreis mit vordefiniertem Kurvenradius und Querneigungswinkel oder Fluggeschwindigkeit. Wenn wir nicht die "gefühlten" Kräfte (dh die aerodynamischen Kräfte) aus einem gespeicherten Streckenprotokoll zurückentwickeln, das mit enormer Präzision aufgezeichnet wurde, hat der Ansatz "Zentrifugalkraft plus Schwerkraft" nicht viel Anwendung. Um zu wissen, was die "Zentrifugalkraft" ist, müssen wir wissen, was die Flugbahn ist, und um zu wissen, was die Flugbahn ist, müssen wir normalerweise die auf das Flugzeug wirkenden Kräfte kennen, einschließlich der aerodynamischen Kräfte,

Der Ansatz "Zentrifugalkraft plus Schwerkraft" ist im Allgemeinen besser geeignet, um die Kräfte zu verstehen, die in Rennwagen empfunden werden, die auf Strecken mit festen Querneigungswinkeln und festen Wenderadien fahren, oder den Winkel, den ein Seil mit fester Länge einnimmt, das an einen Eimer voller Wasser gebunden ist und herumgeschwungen wird in einem Kreis, als auf die Kräfte, die in einem Flugzeug "gefühlt" werden, dessen Bahn in drei Dimensionen frei variiert werden kann. Aber wenn es richtig angewendet wird, ist es keine ungültige Art, die Mechanik des Fliegens zu betrachten.