Ist dieses Vektordiagramm der beim Wendeflug wirkenden Kräfte korrekt?

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Siehe dieses Bild von Seite 5-24 des FAA Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (Ausgabe 2016) .

Nehmen wir zum Zweck dieser Frage die Newtonsche Perspektive ein, dass das Gewicht eine tatsächliche Kraft ist.

Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass es nicht unbedingt wichtig wäre, keine Luftmassenbewegung, dh keinen Wind.

Gehen Sie der Einfachheit halber davon aus, dass der Schubvektor genau gleich groß und in entgegengesetzter Richtung wie der Widerstandsvektor ist, obwohl dies in der Realität möglicherweise nicht immer genau zutrifft.

Nehmen Sie an, dass die Absicht des Illustrators darin besteht, dass alle Kräfte, die nicht in der Abbildung enthalten sind, durch gleiche und entgegengesetzte Kräfte aufgehoben werden, die ebenfalls nicht im Diagramm enthalten sind. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Thrust durch Drag abgebrochen wird.

Übersehen Sie die Seltsamkeit, Blau zu verwenden, um den Vektor darzustellen, der die Vektorsumme der orangefarbenen Vektoren ist, soweit es die "Lift" -Vektoren betrifft, aber dieser Konvention nicht für die anderen verbleibenden Vektoren zu folgen. (Vielleicht ist es die Absicht des Illustrators, Blau für die Kräfte zu reservieren, die tatsächlich reale Kräfte sind und weder das Ergebnis der Zerlegung anderer Kräfte noch fiktive Kräfte oder die Vektorsummen von fiktiven Kräften und realen Kräften sind?)

Nehmen Sie an, dass die Absicht des Illustrators darin besteht, "Last" als die Vektorsumme von "Gewicht" und "Zentrifugalkraft" darzustellen, genauso wie "Auftrieb" die Vektorsumme seiner vertikalen und horizontalen Komponenten ist.

Angenommen, der mit "Auftrieb" bezeichnete Vektor soll die Komponente der vom Flügel erzeugten aerodynamischen Kraft darstellen, die orthogonal zur Richtung der Flugbahn in der Richtung wirkt, die im Bezugssystem des Flugzeugs "aufwärts" ist, dh parallel zu der senkrechte Flosse.

Nehmen Sie als "gegeben" an, dass die Orientierung des mit "Load" bezeichneten Vektors korrekt ist, dh dass dieser Vektor die Richtung angibt, in die sich ein im Flugzeug aufgehängtes Pendel jeweils ausrichten würde. Es stellt die "scheinbare Trägheitsbelastung" dar, die das Flugzeug und der Inhalt erfahren.

Nehmen Sie an, dass die Richtung der momentanen Trajektorie direkt aus der Seite heraus auf den Leser gerichtet ist. Beachten Sie, dass die Nase des Flugzeugs leicht nach links oder rechts von der Richtung der momentanen Flugbahn zeigen kann, obwohl der Illustrator dies nicht wirklich gezeigt hat, außer durch die schattierten Pfeile an der Flügelspitze, die darauf hindeuten, dass sich das Flugzeug seitwärts bewegt in Bezug auf die Richtung, in die die Nase zeigt. Die Absicht der Frage ist zu fragen, ob die tatsächlichen Kraftvektoren korrekt dargestellt sind, nicht zu fragen, ob die Ausrichtung des Flugzeugs im Raum korrekt dargestellt wurde.

Die eigentliche(n) Frage(n):

A) Die Einbeziehung des Vektors „Zentrifugalkraft“ weist darauf hin, dass der Zeichner einen am Flugzeug befestigten Bezugsrahmen annimmt, der offensichtlich kein gültiger Trägheitsbezugsrahmen ist. Sind die Diagramme damit als "gegeben" korrekt? Wenn nicht, was ist mit ihnen los? Sollte die Nettokraft in diesem Bezugssystem nicht Null sein?

B) Wenn wir den mit "Zentrifugalkraft" bezeichneten Vektor und den mit "Last" bezeichneten Vektor löschen würden, würden die Diagramme jede Situation korrekt darstellen, wie sie vom Bezugssystem der Erde aus gesehen wird? (Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass die Erde aus Newtons Sicht ein gültiges Trägheitsbezugssystem ist, dh ignorieren Sie die Tatsache, dass die Erde tatsächlich die Sonne umkreist usw.) Wenn nicht, warum nicht, dh was wäre an den Diagrammen falsch? Beachten Sie, dass, wenn wir den mit "Zentrifugalkraft" bezeichneten Vektor und den mit "Last" bezeichneten Vektor löschen würden, alle in jedem der drei Diagramme dargestellten Kraftvektoren identisch wären.

C) Es scheint möglich, dass einige zusätzliche reale aerodynamische Kräfte in einige der Diagramme aufgenommen werden sollten. Ist dies der Fall? Was ist diese Kraft? Wie sollen die „korrigierten“ Diagramme aussehen?

Verwandte Frage zu PSE: Drehen eines Flugzeugs - koordinierte Drehung und Neigungsmesser ("der Ball") ?

Link zu einer ähnlichen Frage wie der vorliegenden auf Aviation Stack Exchange (bisher wurden keine gut aufgenommenen Antworten gegeben): Was fehlt in diesen Diagrammen der Kräfte in Schlupf und Kufen?

Ich habe mich entschieden, die eng verwandte Frage zu Physics SE zu stellen, weil ich das unterschiedliche Fachwissen einer anderen Community nutzen wollte, die das Problem aus einer anderen Perspektive angehen könnte.

Antworten (1)

Im Bezugssystem des Flugzeugs muss die Summe aus physikalischen und fiktiven Kräften immer gleich Null sein, daher können wir leicht erkennen, dass das zweite und dritte Diagramm mit der Bezeichnung „Gleitkurve“ und „Schleuderkurve“ falsch sind.

Ich denke, die fehlende Komponente ist der seitliche Luftwiderstand in horizontaler Richtung. Der Wert dieser Widerstandskomponente würde von der relativen seitlichen Geschwindigkeit des Flugzeugs in Bezug auf die Umgebungsluft abhängen. Im Diagramm "Schlupfkurve" sollte der seitliche Widerstand in die gleiche Richtung wie die Zentrifugalkraft wirken, um die horizontale Komponente des Auftriebs auszugleichen. Im Diagramm „Schleuderkurve“ soll der Seitenwiderstand in die entgegengesetzte Richtung wirken, um die Zentrifugalkraft auszugleichen.

Diese gute Antwort könnte möglicherweise weiter verbessert werden, indem der Ausdruck "seitlicher Luftwiderstand" durch den Ausdruck "seitliche Kraft aufgrund des 'seitlichen Auftriebs', der durch den Rumpf und andere Oberflächen, die sich seitwärts durch die Luft bewegen, erzeugt wird" ersetzt wird.
oder der Ausdruck "Aerodynamische Kräfte senkrecht zur Auftriebswiderstandsebene"
Und ich würde behaupten, die bessere Lösung wäre, die Auftriebskraft einfach zu kippen (zu kippen), sodass sie nicht mehr senkrecht zu den Flügeln steht, und sie als aerodynamische Gesamtkraft zu bezeichnen. Falls zur Verdeutlichung erforderlich, könnte es auch in Komponenten dargestellt werden, eine senkrecht zu den Flügeln und eine senkrecht zur Auftriebswiderstandsebene (parallel zu den Flügeln).
Der Auftrieb ist definiert als die Komponente der aerodynamischen Kraft senkrecht zur Strömungsgeschwindigkeit, während der Luftwiderstand als die Komponente parallel zur Strömungsgeschwindigkeit definiert ist. Daher denke ich, dass es sicher ist, die horizontale Kraft aufgrund der Quergeschwindigkeit des Flugzeugs als Widerstandskraft zu bezeichnen. Auf einer separaten Anmerkung bedeutet das Vorhandensein einer seitlichen Geschwindigkeit, dass der Auftrieb nicht mehr unbedingt in der Ebene des Papiers (oder des Computerbildschirms) liegt, also ist das ein weiteres Problem mit den Diagrammen.
@Tofi - würde eine Kraft parallel zur Strömungsgeschwindigkeit nicht direkt vom Betrachter weg gerichtet und daher im Diagramm nicht sichtbar sein? Angesichts der angenommenen Richtung der Flugbahn, wie in der Frage angegeben. Vielleicht haben Sie das Gefühl, dass die Richtung der Flugbahn anders beschrieben werden sollte?
@quietflyer Wenn es eine seitliche Geschwindigkeitskomponente gibt, wird der Luftwiderstand nicht sofort gezielt, sondern hat auch eine seitliche Komponente.
Nein, man kann es nicht Drag Force nennen. Der Luftwiderstand ist ähnlich definiert als die Komponente der integralen Summe aller aerodynamischen Kräfte, die parallel zum Geschwindigkeitsvektor der wahren Luftgeschwindigkeit ausgerichtet ist (fast senkrecht zur Ansichtsebene), während der Auftrieb die Komponente senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor ist. Wenn sich das Flugzeug in einem Seitenschlupf befindet, könnten Sie den Auftrieb auch in zwei Komponenten aufteilen, eine senkrecht zu der Ebene, die durch den Geschwindigkeitsvektor und die vertikale Achse des Flugzeugs gebildet wird, und eine, die senkrecht zu der Ebene steht, die durch die Flügel und gebildet wird der Geschwindigkeitsvektor.
Es könnte auch zur Klarheit beitragen, das Flugzeug so darzustellen, dass wir es nicht direkt von vorne betrachten, sondern von einer Seite der Nase entlang einer Sichtlinie, die parallel zum Geschwindigkeitsvektor wäre.
@CharlesBretana - ein interessanter Punkt ist, dass während eines Seitenschlupfes sogar der Widerstandsvektor ein Rolldrehmoment erzeugen kann, solange der Punkt, an dem der Widerstandsvektor wirkt, über (oder unter) dem Schwerpunkt des Flugzeugs liegt. Stoff zum Nachdenken. Die Frage besagt jedoch, dass die Flugbahn des Flugzeugs als direkt aus der Seite heraus und direkt auf den Betrachter zulaufend angenommen werden sollte. Vielleicht ist Tofi der Meinung, dass dies keine gute Annahme ist, aber angesichts dieser Einschränkung kann ich nicht sehen, wie ein Widerstandsvektor im Diagramm erscheinen würde.
@CharlesBretana - "Es könnte auch zur Klarheit beitragen, das Flugzeug so darzustellen, dass wir es nicht direkt von vorne betrachten, sondern von einer Seite der Nase entlang einer Sichtlinie, die parallel zum Geschwindigkeitsvektor wäre. " -- ich gehe davon aus, dass wir davon ausgehen sollten, dass das Diagramm genau diese Situation darstellt, obwohl das Bild des Flugzeugs nicht ganz stimmt. Vielleicht ist das keine gute Annahme, aber es ist die, die ich in die Frage aufgenommen habe.
@quietFlyer, Da das Flugzeug in allen drei Bildern direkt aus dem Papier zu kommen scheint, impliziert jede Aussage, dass "die Flugbahn des Flugzeugs als direkt aus der Seite heraus angenommen werden sollte", dass kein Seitenschlupf vorliegt , eine Schlussfolgerung, die zu einer weiteren Anomalie oder falschen Darstellung in diesen Diagrammen führt. Ich denke, dieser Punkt könnte ignoriert werden, da der Autor nicht bereit oder in der Lage ist, genauere Illustrationen zu erhalten, aber er trägt sicherlich zur mangelnden Klarheit bei.
@Tofi - Ich stimme zu, dass die Illustrationen, wie sie gezeichnet sind, das Flugzeug selbst zu veranschaulichen scheinen, nicht die Flugbahn, die direkt aus der Seite auf den Betrachter zeigen. Da Auftriebs- und Widerstandsvektoren relativ zur Flugbahn definiert sind, bedeutet dies, dass, wenn der Auftriebsvektor in jedem Diagramm die gleiche Größe haben soll, wie es die Absicht des Illustrators zu sein scheint, dann in den Fällen des Rutschens und Schleuderns eine etwas kleinere Komponente von die vertikalen und horizontalen Komponenten des Auftriebsvektors sollten auf der Seite erscheinen als im koordinierten Fall.
Es ist also wirklich wohl unklar, ob die Flugbahn oder der Flugzeugkurs direkt aus dem Papier zielen soll. In der Formulierung der Frage sagte ich, ich solle ersteres annehmen, aber ich bin mir nicht sicher, ob es für die Antwort wirklich so wichtig ist.
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Ist dieses Vektordiagramm der beim Wendeflug wirkenden Kräfte korrekt?
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