¿Por qué los aviones pierden velocidad al subir, aunque tienen motores a reacción que los empujan hacia adelante?

Answer 1

Cuando un avión está subiendo, el empuje producido por el motor tiene que superar dos fuerzas. Para un caso simplista, podemos ver un avión que sube verticalmente. El empuje tiene que superar dos fuerzas (descuidando las fuerzas de elevación en el ala, que ahora actúan horizontalmente debido a la orientación del ala)

1. Gravedad. Cuando la relación de empuje a peso es menor que uno, resulta en una fuerza neta hacia abajo y, por lo tanto, en una aceleración hacia abajo. Ahora, incluso si la relación de empuje a peso fuera mayor que uno, el avión podría perder velocidad debido al otro componente de la fuerza enumerada en el punto 2
2. Arrastre: el arrastre aumenta el peso y si el motor del avión ha empujado menos que el peso más el arrastre, perderá velocidad mientras sube.

Supongo que las aeronaves que tienen un empuje suficiente para superar tanto su peso como su resistencia se acelerarán mientras suben a su máximo empuje (tenga en cuenta que típicamente la resistencia aumenta a medida que aumenta la velocidad. Por lo tanto, el avión puede comenzar con una aceleración positiva hacia arriba, pero la magnitud de la resistencia continua) aumenta hasta que la aceleración se vuelve cero y se mantiene la velocidad)

Esta era una forma simplista de ver las cosas. Cuando el avión no está subiendo verticalmente, la elevación generada por las alas ayuda a contrarrestar el peso del avión. Para subir a un empuje dado, el levantamiento tiene que aumentar, lo que significa que el ángulo de ataque tiene que aumentar (en régimen de funcionamiento normal), lo que significaría una mayor resistencia y pérdida de velocidad.

Answer 2

En general, dos factores afectan la velocidad del avión al subir: la relación empuje / peso del motor y el ángulo de ataque . TtW es la relación entre el empuje nominal del motor (s) en lbf o N, y la masa del avión en lb o kg. Si tengo un motor que produce 150,000 N de empuje y mi avión pesa 14,000 kg, puedo subir sin pérdida de velocidad hasta que alcance el techo de servicio. Sin embargo, la mayoría de los aviones comerciales son de 220T a 300T en MTOW, y los motores que producen un empuje combinado de 3 millones de N generalmente solo se ven en cohetes. Aquí es donde entra en juego el AoA . La regla general es: cuanto mayor sea tu AoA, más resistencia se genera y más lento sube tu avión. Eventualmente llegarás a un AoA de pérdida, donde los motores de tu avión no pueden igualar la resistencia producida por el AoA alto, y básicamente caes como una roca hasta que te recuperas de la pérdida.

Answer 3

Hay una respuesta más simple a esta pregunta: el tema de la energía potencial versus la energía cinética. Cuando escalas, intercambias energía cinética por energía potencial. Puede compensar la pérdida de energía cinética aumentando el empuje, pero salvo los aviones de combate, la mayoría de los aviones no tienen suficiente potencia del motor para compensar por completo la pérdida de energía cinética agregando empuje. Entonces pierdes un poco de velocidad.

Dicho esto, en realidad, los pilotos rara vez aplican el empuje completo. Gran parte de la pérdida de velocidad es realmente recuperable si aplica el empuje completo. La mayoría de los despegues, incluso si está volando un B747 o A380 completamente cargado en un vuelo de 15 horas, no necesita la potencia del motor para despegar. Incluso cuando usan el empuje completo, no es por más de un par de minutos durante el despegue. En los aviones de pasajeros, es más una cuestión de proporcionar un viaje suave mientras se ahorra combustible.

Answer 4

Un avión que está subiendo requiere más empuje para mantener una velocidad dada porque también está superando la gravedad. Los pilotos a menudo hablan sobre el estado energético de un avión. Un avión que vuela más alto ha almacenado energía en forma de altitud. Esa energía almacenada tiene que venir de algún lado, por lo que requiere un exceso de potencia del motor para proporcionar esa energía.

Answer 5

Las otras respuestas hablan a la teoría. Probemos empíricamente.

Encuentre un camino que conduzca hacia y hacia una colina empinada.

Conduzca hacia la colina y una vez en el límite de velocidad, mantenga el pie exactamente en el mismo lugar.

Cuando llegue a la colina, el automóvil comenzará a subir la colina.

¿Qué pasa después?

El auto se desacelera, ¿correcto?

¿Cómo acelerar de nuevo al límite de velocidad?

Presione más el pedal del acelerador.

Exactamente el mismo principio en ambos casos, y con todo tipo de aeronaves y motores de aeronaves.

Y, cuanto más empinada es la colina o la subida, se necesita más potencia para mantener la misma velocidad. Con los aviones puede alcanzar un ángulo de ascenso donde no hay suficiente potencia para mantener la velocidad del nivel original y si el avión pierde suficiente velocidad, el avión se detendrá.

Ese punto puede suceder en un corto período de tiempo o, con algunos de los luchadores más poderosos, en realidad pueden acelerar mientras suben en línea recta. Pero eventualmente, incluso llegarán al punto donde la gravedad es mayor que el poder y también se detendrán.

Answer 6

A medida que un avión sube, el aire se vuelve más delgado. Esto tiene dos efectos:

1. Los motores obtienen menos oxígeno, por lo que producen menos empuje.
2. El indicador de velocidad del aire muestra menos velocidad que la velocidad real (velocidad real del aire).

Algunas de las otras respuestas están relacionadas con los luchadores. Mi respuesta está relacionada con aviones de pasajeros. Estoy volando un avión turbopropulsor, pero los principios son los mismos que para los jets, excepto que las velocidades a grandes altitudes se expresan como número de Mach (velocidad real del aire en relación con la velocidad del sonido) en lugar de nudos.

Las aeronaves de pasajeros suben a una velocidad de aire indicada constante (o número de Mach a gran altura). A medida que ascendemos, la velocidad real aumenta, mientras que la velocidad de ascenso disminuye. Nuestro mejor nivel de crucero es la altitud donde la velocidad de ascenso se reduce a 300 pies por minuto.

Vuelo ATR 72. La velocidad indicada en ascenso normal es de 170 nudos. A 10,000 pies es la verdadera velocidad aérea de 200 nudos, mientras que el indicador de velocidad todavía muestra 170 nudos. En el crucero a 18,000 pies la velocidad indicada es de 200 nudos, mientras que la velocidad verdadera es de 265 nudos. Los motores producen 60–70% de potencia, dependiendo de la temperatura de la atmósfera.

Answer 7

La velocidad del avión está directamente relacionada con el motor / motores en ese avión. La mayoría de los cazas modernos tienen más peso que los aviones normales. Esto significa que, por ejemplo, tengo un luchador que pesa 60,000 libras. y mi motor crea 80,000 libras de empuje. Al salir de la pista puedo subir casi verticalmente y seguir subiendo hasta llegar a un punto en que la atmósfera ya no puede soportar el peso de mi luchador. Por lo general, alrededor de 30 a 40,000 pies. En ese punto, el luchador se nivela. ¿Por qué? El empuje de mi motor es mayor que el peso de mi avión.