Что заставляет мяч не центрироваться при скольжении/заносе?

Это то же самое, что заставляет вас скользить боком на сиденье, когда вы поворачиваете за угол в машине.

Или то же самое, что заставило бы вас скользить боком в другую сторону, если бы вы ехали прямо по склону.

Не переусердствуйте... мяч просто реагирует на те же силы, которые вы чувствуете.

ДОПОЛНЕНИЕ:

«Я согласен, что сравнения уместны, если вы рассматриваете только скоординированный разворот, но я спрашиваю о устойчивом горизонтальном развороте, при котором самолет скользит/скользит; на который, я не думаю, можно легко распространить сравнение?»

Я на самом деле думаю, что это наоборот. Рассмотрим следующее:

• АВТОМОБИЛЬ . Если автомобиль не едет по гоночной трассе с наклоном, то точно на той скорости, на которую рассчитан поворот с наклоном, автомобиль никогда не сможет совершить «скоординированный поворот». Как правило, всегда будет присутствовать центробежная боковая сила.

• САМОЛЕТ – После того, как неблагоприятное рыскание в начале разворота было устранено и установлено под постоянным углом разворота, большинство (положительно стабильных) самолетов по умолчанию перейдет к скоординированному развороту.

Если это еще поможет, давайте доведем «несогласованный разворот» самолета до пары логических крайностей:

1. Уровень крыльев, поворот без крена, с использованием только руля направления. Подумайте об этом, поскольку это сравнивается с поворотом автомобиля на ровной поверхности. Это преувеличенный поворот с заносом, когда вся центробежная сила тянет вас (и мяч!) горизонтально или вбок.

2. Прямо, горизонтальный полет с боковым скольжением. Нос самолета следует прямо вперед и не поворачивается, а крылья виляют. Это преувеличенный поворот со скольжением (за вычетом фактического поворота...), и он точно такой же, как в примере с вождением автомобиля на склоне. В этом случае гравитация тянет вас (и мяч!) вертикально прямо вниз, что с точки зрения самолета немного сбоку.

Мяч — «немой» инструмент. Не более чем шарик в трубке, реагирующий на центробежную силу и гравитацию. Вы можете добиться того же, зажав полный стакан воды между коленями: если внутреннее колено намокнет, это будет скользящий поворот, если внешнее колено намокнет, это будет занос.

Если эти объяснения неадекватны, единственное, что остается предложить, это найти местную летную школу, которая предлагает ознакомительные полеты, и попросить пилота продемонстрировать это для вас.

Если это предложение непрактично или недоступно, попробуйте простой эксперимент: возьмите круглую миску и мраморный шарик. Круглая чаша имитирует изгиб стеклянной трубки. Поместите шарик в чашу, держите его на расстоянии вытянутой руки и начните поворачиваться на месте. (если вы думаете, что у вас может закружиться голова и вы упадете на мебель, наденьте шлем!) Ваша цель — отрегулировать угол чаши, чтобы шарик оставался в центре. Обратите внимание, что если вы слишком сильно наклоните чашу в любую сторону, шарик начнет скатываться по бокам.

Это не идеальное сравнение, потому что оно не имитирует рыскание, но можете ли вы оценить корреляцию? Пожалуйста, дайте мне знать, если необходимы какие-либо дополнительные объяснения...

Простой ответ: мяч вынужден двигаться по дуге в плоскости. Представим себе центр этой дуги как точку приложения равнодействующей суммы сил гравитации и инерции. Теперь вы проецируете результат на плоскость этой дуги. Пересечение дуги и спроецированной равнодействующей находится именно там, где лежит мяч, в любое время и при любых обстоятельствах...

Предположим, что самолет пытается выполнить устойчивый, ровный, скоординированный разворот. Если самолет скользит, избыточная внешняя боковая сила (${\bf L}_{slip}$) будет создан. Для координации необходимо уменьшить угол крена или увеличить угол поворота руля.

Поскольку мяч будет располагаться так, что он будет перпендикулярен сумме внешних сил при скоординированном повороте (здесь просто вектор подъемной силы$\bf L$, он должен находиться в центре при скоординированном повороте (аналогично повороту автомобиля с креном, когда нормальная сила, приложенная дорогой, заменяет подъемную силу).

При скольжении мяч будет находиться слева от центра, поскольку он находится в точке, где поверхность нормальна к вектору подъемной силы, необходимому для скоординированного поворота с тем же радиусом поворота и скоростью полета ( эквивалентной сумме векторов подъемной силы$\bf L$и${\bf L}_{slip}$) как показано на схеме.

Здесь применима старая поговорка «наступи на мяч».

Приведенные ниже диаграммы должны помочь прояснить:

Мяч смещен от центра при проскальзывании или заносе, потому что угол крена «неправильный» для скорости поворота и воздушной скорости, и, таким образом, равнодействующая «центробежной силы» плюс вес не указывает «прямо вниз» в системе отсчета самолета.

Хотя это утверждение верно, оно не очень полезно с точки зрения пилота, поскольку обычно мы не меняем угол крена без изменения скорости поворота, поэтому обычно мы не пытаемся центрировать мяч, регулируя угол крена. . (Исключением может быть случай, когда мы выполняем разворот со стандартной скоростью, ориентируясь на индикатор скорости разворота или координатор разворота, особенно если мы используем старую технику «игольчатый шарик-воздушная скорость», когда пилотам советовали сохранять постоянная скорость поворота руля направления при использовании элеронов для центрирования шара скольжения.) ¹

Точно эквивалентное, но более полезное утверждение состоит в том, что мяч смещен от центра всякий раз, когда чистая аэродинамическая сила, создаваемая самолетом, имеет боковую составляющую в системе отсчета самолета, а не действует «прямо вверх» в системе отсчета самолета. .

Обратите внимание, что «центробежная» сила, о которой мы здесь говорим, на самом деле является псевдосилой . Это кажущаяся сила инерции, создаваемая поворотом. Она точно равна по величине и противоположна по направлению фактической чистой центростремительной силе, которая в первую очередь вызывает поворот. В установившемся скоординированном развороте эта центростремительная сила представляет собой просто горизонтальную составляющую подъемной силы от накрененного крыла, в то время как в нескоординированном развороте мы должны добавить или вычесть дополнительную боковую силу, вызванную движением фюзеляжа вбок через крыло. воздух.

Аналогия с автомобилем, движущимся по наклонной трассе, может помочь нам понять все это. В этом случае замените силу, оказываемую гусеницей на шины, на результирующую аэродинамическую силу, создаваемую самолетом. При некоторой комбинации скорости поворота и скорости накренившаяся земля будет давить «прямо вверх» на шины в системе отсчета автомобиля, и шар скольжения будет находиться в центре. В таком случае шины «не чувствуют» боковой нагрузки. Это похоже на скоординированный разворот самолета, где чистая аэродинамическая сила, действующая на самолет, представляет собой просто подъемную силу крыла, действующую «прямо вверх» в собственной системе отсчета самолета.

Тем не менее, важно признать, что аналогия с автомобилем заходит слишком далеко. В конце концов, гусеница имеет определенный радиус поворота независимо от скорости автомобиля, а в реальном полете это не так.

Легко понять, почему на всех скоростях, кроме одной, угол крена будет «неправильным» для скорости поворота, когда автомобиль движется по трассе с креном. Но почему угол крена может быть «неправильным» для скорости разворота и воздушной скорости в реальном полете? Или, другими словами, почему результирующая аэродинамическая сила, действующая на самолет, может быть чем-то иным, чем подъемная сила крыла, действующая «прямо вверх» в собственной системе отсчета самолета?

Остерегайтесь объяснений, ссылающихся на «центробежную силу», без достаточного внимания к реальным, ощутимым аэродинамическим силам, создаваемым самолетом.

По крайней мере, один авиационный автор (писавший для пилотов сверхлегких самолетов) фактически предположил, что полет на «неправильной воздушной скорости для угла крена» приведет к скольжению или заносу самолета. Это совершенно неправильно, если только мы искусственно не ограничим фиксированный радиус поворота, что является очень странным ограничением в контексте полета.

Так как же в реальном полете может случиться, что угол крена может быть «неправильным» для скорости разворота и воздушной скорости?

Потому что самолету разрешено лететь боком по воздуху, т. е. нос не направляется в том же направлении, в котором самолет фактически движется по воздуху в любой данный момент.

В результате воздушный поток ударяет в борт фюзеляжа и создает реальную, осязаемую аэродинамическую боковую силу, действующую «влево» или «вправо» в системе отсчета самолета и пилота. Шарик скольжения «чувствует» комбинированный эффект этой боковой силы и подъемной силы крыла.

Или, другими словами, эта реальная, осязаемая аэродинамическая боковая сила добавляет или вычитает скорость поворота, так что скорость поворота больше не является «правильной» для угла крена и воздушной скорости, поэтому шар скольжения-скольжения уходит от центра.

Мяч всегда будет смещаться в направлении «против ветра» относительно воздушного потока, который ощущает фюзеляж. Он будет двигаться к той стороне фюзеляжа, на которую воздействует воздушный поток.

(Крайним случаем является устойчивый, вертикальный, линейный полет «на лезвии ножа», когда крыло разгружено до состояния нулевой подъемной силы, а воздушный поток, ударяющийся о борт фюзеляжа, должен выдерживать весь вес самолета, кроме какая бы составляющая ни поддерживалась вектором тяги. Шарик будет полностью отклонен к «обращенному к земле» углу изогнутой стеклянной трубки.)

Таким образом, в равной степени справедливо сказать, что шар скольжения будет смещаться от центра всякий раз, когда угол крена будет «неправильным» для скорости поворота и воздушной скорости, или сказать, что шар скольжения будет смещен от центра всякий раз, когда воздушный поток ударяется о боковую часть фюзеляжа, потому что носовая часть самолета не выровнена с фактическим направлением движения, и воздушный поток ударяется о боковую часть фюзеляжа. Эти два утверждения эквивалентны — это две разные «стороны одной медали». Пилоты, которые это понимают, понимают, что на самом деле говорит им мяч .

Как только мы это поймем, станет ясно, почему в самолетах без винта над носом, таких как планеры, веревка рыскания (пучок нитей, прикрепленный к внешней стороне фонаря, на осевой линии самолета, в поле зрения пилота) передний обзор) является вполне приемлемой заменой скользящего мяча. Любое несоответствие между направлением, в котором указывает самолет , и направлением, в котором он движется , приведет к тому, что «струна рыскания» отклонится в сторону.

Всякий раз, когда пилот использует руль направления так, чтобы нос самолета был направлен прямо в воздушный поток, чтобы воздушный поток не ударялся о борт самолета, мяч (и пилот) только «чувствуют» подъемную силу, создаваемую крыло. Поскольку подъемная сила крыла всегда действует «прямо вверх» в системе отсчета самолета, в таком случае мяч всегда будет находиться в центре, независимо от угла крена или воздушной скорости. В таком случае скорость разворота будет автоматически «правильной» для угла крена и воздушной скорости.

Обратите внимание, что если мы изменим форму фюзеляжа, мы также изменим величину отклонения шара скольжения, которое мы увидим для некоторого заданного бокового угла воздушного потока. Тонкий обтекаемый фюзеляж будет создавать меньшую боковую аэродинамическую силу и меньшее смещение шара скольжения, чем большой квадратный.

Самый большой недостаток диаграмм, подобных тем, которые сопровождают этот связанный вопрос ASE, заключается в том, что они не показывают конкретно аэродинамическую силу, создаваемую воздушным потоком, ударяющим о борт фюзеляжа при проскальзывании или заносе, и, таким образом, оставляют читателя без понимания того, что действительно происходит в скольжении или заносе.

Все вышесказанное на самом деле является лишь первым приближением, но оно является очень хорошим приближением для большинства ситуаций в реальном полете. Чтобы перевести разговор на более глубокий уровень, мы можем признать, что на самом деле руль направления сам по себе может создавать значительную боковую силу, которая будет влиять на скорость поворота, а также будет влиять на шар скольжения, даже если фюзеляж полностью адаптирован к воздушному потоку. Вот почему наиболее эффективный полет не всегда получается при полностью скользящем шаре.по центру. Это становится заметным, когда мы имеем дело с отказавшим двигателем на двухмоторном самолете, потому что руль направления будет сильно отклоняться. Но для всех практических целей, пока мы не имеем дело с огромной асимметрией тяги, очень хорошим приближением будет предположить, что всякий раз, когда мяч смещен от центра, это происходит потому, что пилот не держит нос в одном направлении. поскольку самолет фактически движется и, таким образом, позволяет воздушному потоку ударять о борт самолета.

Пожалуйста, имейте в виду, что «воздушный поток», о котором мы здесь говорим, не имеет ничего общего с внешним, метеорологическим ветром. Скорее, это «относительный ветер», создаваемый собственным движением самолета через воздушную массу. Когда самолет не направлен точно в том же направлении, в котором он фактически движется через воздушную массу, этот «относительный ветер» имеет боковую составляющую по отношению к фюзеляжу. Пилот исправляет это, применяя руль направления по мере необходимости, чтобы самолет указывал в том же направлении, в котором он фактически движется. Правило состоит в том, чтобы «наступить на мяч», чтобы вернуть его в центр.

Мы могли бы продолжить обсуждение причин, по которым многие летательные аппараты, особенно тихоходные, с большим размахом, такие как планеры, требуют от пилота касания внутреннего руля направления во время разворота, чтобы удерживать шар скольжения по центру. Но это лучше сохранить для другого вопроса. А пока мы просто отметим, что, хотя вертикальный киль удерживает нос самолета, направленный прямо в воздушный поток, как флюгер, иногда ему требуется небольшая дополнительная помощь со стороны руля направления.

Что, если мы маневрируем в трех измерениях, а не только в двух? Концепция скольжения-заноса мяча, смещающегося от центра всякий раз, когда угол крена «неправильный» для скорости поворота и воздушной скорости, действительно действителен только при отсутствии вертикального ускорения.. Например, в верхней части крыла угол крена может ненадолго приблизиться к вертикали, а воздушная скорость может упасть довольно низко, но при соответствующем использовании руля направления мяч может оставаться в центре. Более полным утверждением было бы то, что шар скольжения-скольжения будет смещаться от центра, когда существует несоответствие между углом крена, скоростью поворота, воздушной скоростью и вертикальной составляющей ускорения. Шарик скольжения-скольжения расположится в трубе так, чтобы он был выровнен с векторной суммой веса, горизонтальной псевдосилой «центробежной силы», создаваемой поворотом, и псевдосилой вертикальной (направленной вверх) «центробежной силы», создаваемой кривизной, направленной к земле. траектория полета. Но даже в этом более сложном случае все равноВерно сказать, что если самолет выровнен с мгновенным направлением движения, так что воздушный поток не может ударить в сторону фюзеляжа, шарик скольжения останется в центре.

Вот интересный момент, первоначально выявленный в другом ответе (а теперь и в еще одном ): мы можем представить, что шар представляет собой воображаемый маятник, подвешенный к точке, расположенной в центре радиуса кривизны стеклянной трубки. Для разворотов, где мы маневрируем только в двух измерениях (в отличие от приведенного выше примера с крылом), если бы мы меняли угол крена, сохраняя при этом постоянную скорость полета и скорость разворота , мы бы заметили, что положение маятника (или положение шар) относительно горизонтаостанется прежним. Мяч всегда движется к той части трубы, которая «нормальна» к векторной сумме вектора веса и кажущегося вектора «центробежной силы» (псевдосилы). Это также означает, что мяч всегда движется к той части трубы, которая «нормальна» к векторной сумме восходящей подъемной силы и чистой центростремительной силы. А это также означает, что мяч всегда движется к той части трубы, которая «нормальна» к направлению вектора подъемной силы, которое потребовалось бы для идеально скоординированного разворота при текущей воздушной скорости и скорости разворота . Таким образом, мы можем думать о мяче как о подсказке того, какой угол крена потребуется для идеально скоординированного поворота при текущей воздушной скорости и скорости поворота.. Это возвращает нас к начальной строке этого ответа - концепции о том, что при скольжении или заносе угол крена "неправилен" для скорости разворота и воздушной скорости. Теоретически, при скольжении мы можем центрировать мяч, уменьшая угол крена, сохраняя при этом скорость разворота и скорость полёта постоянными.

Но если мы не выполняем разворот со стандартной скоростью, ориентируясь на индикатор скорости разворота или координатор разворота, это не очень полезная концепция в реальном полете, поскольку любое изменение угла крена обычно также приводит к изменению скорости разворота. Вместо того, чтобы думать о регулировке угла крена в соответствии с воздушной скоростью и скоростью разворота, таким образом, центрируя мяч, гораздо полезнее признать, что угол крена всегда будет «правильным» для воздушной скорости и скорости разворота, пока самолет не летят боком по воздуху . Вот почему, говоря практически, руль почти всегда является лучшим инструментом для центрирования скользящего шара.

На самом деле, в тех немногих случаях, когда мы предпочитаем использовать элероны, а не руль направления для центрирования шара, основная причина, по которой это работает, заключается не впотому что мы меняем угол крена, а скорее потому, что элероны генерируют «неблагоприятный рыскающий» крутящий момент, который оказывает влияние на руль направления в противоположном направлении. Пример: мы выполняем разворот в термике на планере и подозреваем, что более крутой угол крена может помочь нам лучше оставаться в термике — мяч случайно перемещается наружу (высокая сторона), показывая занос — мы знаем что применение внешнего (высокого) руля направления будет центрировать мяч, но также уменьшит угол крена из-за связи между рысканием, скольжением и креном — но мы не хотим уменьшать угол крена, так как мы можем потерять тепловое сопротивление. - поэтому мы применяем внутри элеронов вместо этого. Основная причина того, что это центрирует мяч, на самом деле нечто угол крена увеличивается, а скорее элероны создают «неблагоприятный крутящий момент рыскания», и мы ничего не делаем с рулем направления, чтобы противодействовать ему. Таким образом, нос отклоняется от направления, в котором мы перемещали ручку управления элеронами, приводя нос в лучшее выравнивание с нашим фактическим направлением движения и увеличивая угол крена в качестве дополнительного бонуса. На практике, в самолете с высоким крылом, поперечным углом или стреловидностью, если мы хотим отрегулировать рыскание (т.е. изменить угол бокового скольжения) без создания крутящего момента по крену, нам фактически нужно переместить руль направления в одном направлении, одновременно перемещая руль направления . элероны немного в противоположном направлении. Бывают ситуации, когда для наших целей лучше всего использовать только руль («наступить на шар»).элероны («двигайте ручку против шара») для коррекции, но первое гораздо более распространено, чем второе, а последнее работает в основном за счет «неблагоприятного рыскания» элеронов, а не как прямой результат фактического изменение угла крена.

Сноски--

1. Как отметил Вольфганге Лангевише еще в 1947 году в своей классической книге «Ручка и руль», этот очень устаревший метод «воздушная скорость иголки», возможно, довольно ошибочен. Он полностью выйдет из строя на любом самолете, который либо а) не демонстрирует существенной связи между рысканьем, боковым скольжением и креном, либо б) не создает значительную аэродинамическую боковую силу во время бокового скольжения или заноса. Лучше контролировать скорость поворота с помощью элеронов, используя руль направления по мере необходимости для центрирования шара скольжения-скольжения - это будет работать на любом самолете. Тем не менее, эта старая техника, вероятно, привела к тому, что индикатор скорости поворота (с включенным шаром скольжения и скольжения) иногда называли «индикатором поворота и крена», как будто указание мяча каким-то образом имело какое-то отношение к углу крена. .

Поскольку ОП не является пилотом (но задает очень хороший вопрос), остается сказать, что полет является трехмерным, и всегда требуется достаточная вертикальная подъемная сила для выполнения ... «устойчивого горизонтального поворота».

Так что теперь мы можем обсудить достоинства полета на самолете, а не на инструменте.

Так получилось, что увеличение крена или проскальзывание является нежелательной техникой поворота, потому что требует большего тангажа (или большей скорости) для поддержания адекватной вертикальной подъемной силы . Теперь у вас есть двойной удар по воздушной скорости, уменьшающей коэффициент сопротивления. Что происходит с пилотом ночью или в облаках? Они начинают больше оттягивать палку назад, теряя скорость и быстро заходя в спираль.

Полет с заносом также создает более высокое сопротивление, а также несет в себе риск срыва законцовки более медленного крыла.

Вот почему «низкие и медленные» самолеты выигрывают, сохраняя координацию, но что именно?

Для автомобилей, грузовиков и самолетов это направление инерционного сопротивления векторной сумме гравитационного и аэродинамического ускорения непосредственно к днищу транспортного средства.

Для поворота заданного радиуса и крена управляющим фактором является скорость . Это работает для легковых автомобилей и, конечно, для грузовиков.

У самолетов крен редко дается, но радиус и скорость могут быть (при полете по схеме посадки). Когда задана скорость, мы сопоставляем крен (элероны) и «рулевое управление» (руль направления), чтобы скоординировано удерживать курс (наименьшее сопротивление), а также обеспечивать достаточную подъемную силу для горизонтального полета .

Таким образом, пилоты не выбирают (хотя это теоретически возможно) управлять скоординированным полетом, меняя крен. Гораздо лучше уменьшить сопротивление рулем направления, наступив на шар . Поскольку сопротивление в поворотах всегда будет выше, чем в прямолинейном полете, увеличение мощности для поддержания воздушной скорости также является неплохой идеей, особенно если ваш самолет очень дрейфующий.

Из этого следует, что адекватная воздушная скорость имеет решающее значение для безопасного полета, а более низкое сопротивление помогает поддерживать воздушную скорость, поэтому проскальзывание (или занос) в горизонтальных поворотах исключено ( небезопасно).

Эти методы имеют ценность при регулировке углов планирования при посадке, но их не следует применять без понимания рисков.