Когда векторы подъемной силы и сопротивления вносят вклад в составляющую силы вдоль траектории движения планера, если смотреть с земли?

В термиках.

Точнее: каждый раз, когда сила восходящего потока увеличивается. Планер будет продолжать свой первоначальный путь из-за инерции, в то время как воздушный поток будет иметь положительный угол относительно пути движения. Теперь аэродинамическая сила будет направлена ​​немного вперед и разгонит планер.

Опытные пилоты используют это, вытягивая более 1 г при полете в термик и меньше, когда сила восходящего потока уменьшается. Это помогает им получить больше энергии от восходящего воздуха.

По определению сопротивление — это часть аэродинамических сил, параллельная направлению потока, поэтому для сопротивления ответ: всегда. При изменении вертикальной воздушной скорости составляющая сопротивления, параллельная направлению движения, будет просто изменяться пропорционально косинусу угла между аэродинамической и кинетической системами координат.

Если вы настаиваете на исключении изменений вертикальной воздушной скорости, на ваш вопрос не будет ответа относительно подъемной силы.

Любой планер частично приводится в действие своим вектором подъемной силы все время при нормальном полете (в отличие от петли, крена или другого высшего пилотажа, где используется запас кинетической энергии, который часто частично преобразуется в потенциальную). В планирующем полете вектор подъемной силы всегда слегка наклонен вперед.

Энергия для этого поступает от преобразования потенциальной энергии (в виде высоты) в кинетическую энергию (в виде скорости движения). Потенциальная энергия, в свою очередь, для планера, как правило, обеспечивается восходящим потоком воздуха (первоначально для каждого полета часть энергии обеспечивается средствами помощи при запуске — будь то аэродинамическая буксировка, наземная буксировка, лебедка/тарзанка или катящийся/бегущий вниз самолет). наклон в гребневый подъемник).

Сопротивление, с другой стороны, по определению всегда противоположно направлению вектора скорости, поэтому никогда не будет иметь компонент, добавляющий к текущей скорости (хотя, если планер, например, находится в глубоком срыве с опущенным хвостом, может быть компонентом сопротивления «вперед» в направлении носа планера).

Для самолетов с двигателями будут периоды, когда есть компонент подъемной силы, который увеличивает скорость движения вперед (например, при более или менее крутом снижении при малом дросселе), и периоды (самый устойчивый полет), когда подъемная сила способствует сопротивлению. который по-прежнему по определению действует против текущего вектора скорости.

"Вид с земли" будет чистой траекторией вертикальных и горизонтальных компонентов скорости планеров, добавленных или вычтенных из вертикальных и горизонтальных компонентов скорости воздуха (на данный момент без учета третьей оси).

Мы рассматриваем теоретическую равномерно движущуюся воздушную массу и относительный ветер, создаваемый планером в полете. Как обсуждалось много раз на этом сайте, идеальный круг в воздухе будет выглядеть совсем иначе, чем наземный путь, если есть ветер. Планер с воздушной скоростью 40 узлов может быть неподвижным «если смотреть с земли».

Логично, что ответ всегда, с той оговоркой, что нужно учитывать скорость и направление движения воздушных масс , и да, по всем трем осям.

Наконец, один из ключей заключается в том, чтобы учитывать, что вес вычитается из любых компонентов вектора вертикального сопротивления или подъемной силы, а остаток уравновешивается скоростью и направлением планера по отношению к воздушной массе .

Предполагая установившийся линейный полет и другие ограничения, указанные в вопросе -

Идея о том, что составляющая вектора подъемной силы помогает тянуть планер вперед по траектории полета, если смотреть с земли, верна только тогда, когда достигнутое качество планирования планера относительно земли лучше, чем отношение L/D (которое также коэффициент планирования в неподвижном воздухе) или когда планер набирает высоту в восходящем потоке (если только планер не дрейфует назад над землей по достигнутой траектории набора высоты, которая является более плоской, чем направление вектора сопротивления/относительного ветра). Это единственные случаи, когда вектор подъемной силы имеет прямую составляющую относительно траектории планера, если смотреть с земли.

Это может произойти только в одном из следующих случаев - планер должен лететь:

1) Воздух, который не поднимается и не опускается, но движется с попутной составляющей ветра относительно фактического курса планера (не относительно «курса» или достигнутой траектории полета — различие вступает в игру, когда присутствует сильная составляющая бокового ветра).

2) Воздух, который не движется горизонтально, а поднимается вверх.

3) Воздух, который поднимается достаточно быстро, чтобы компенсировать ухудшение достигнутого аэродинамического качества, вызванное составляющей встречного ветра.

4) Воздух, движущийся с попутным ветром, который достаточно силен, чтобы компенсировать снижение достигнутого аэродинамического качества, вызванное опускающимся (нисходящим) компонентом.

5) Воздух, который поднимается, а также движется с попутной составляющей ветра.

В первом приближении идея о том, что компонент вектора сопротивления помогает тянуть планер по траектории движения планера, если смотреть с земли, верна только тогда, когда планер движется назад по земле, т. е. когда компонент его " курс» или достигнутый вектор траектории пути указывает в том же направлении, что и хвостовая часть планера, и противоположном направлению, в котором указывает носовая часть. Это легко может произойти при сильном ветре - параплан может легко дрейфовать назад над землей.

Строго говоря, это приближение верно только в том случае, если отношение L/D бесконечно. Чтобы быть более точным, мы должны признать, что истинным критерием является то, что вектор сопротивления помогает тянуть планер вдоль траектории полета, если смотреть с земли, всякий раз, когда компонент фактической трехмерной траектории полета, если смотреть с земли-- не только вектор «курса» или достигнутый наземный трек — указывает в том же направлении, что и вектор перетаскивания. Поскольку вектор сопротивления параллелен траектории полета через воздушную массу или «относительный ветер», он наклонен относительно горизонта. Следовательно, для небесконечного качества планирования этот критерий может быть достигнут, когда самолет поднимается прямо вертикально относительно земли с нулевой горизонтальной путевой скоростью в сильном восходящем потоке. или даже когда самолет очень медленно ползет вперед по земле, быстро поднимаясь вверх. Кроме того, могут быть случаи, когда критерии не выполняются, даже если самолет очень медленно дрейфует назад над землей, если он также очень быстро тонет из-за сильного нисходящего потока. Но для достаточно высоких коэффициентов планирования будет довольно хорошим приближением сказать, что вектор сопротивления помогает тянуть самолет по его траектории, если смотреть с земли, только когда самолет фактически дрейфует назад над землей.

Что на самом деле здесь происходит, так это то, что у нас есть замкнутый векторный треугольник подъемной силы, сопротивления и веса, причем подъемная сила меньше, чем вес, и слегка наклонена вперед по отношению к весу. Перетаскивание перпендикулярно подъемной силе и действует под прямым углом к ​​подъемной силе, как показано в этом связанном ответе . Нет никаких сомнений в том, что результирующая сила равна нулю, а результирующее ускорение равно нулю в любой инерциальной системе отсчета, включая систему отсчета воздушной массы и систему отсчета земли. Но вектор скорости различен в разных системах отсчета — например, рассмотрим случай, когда планер медленно поднимается прямо вверх, если смотреть из наземной системы отсчета, — поэтому вопрос о том, какие силы вносят вклад в компонент вдоль направления движения планера зависит от того, какую систему отсчета мы выберем.

Обратите внимание, что часто говорят, что планеры приводятся в действие гравитацией. Это всегда верно, как видно из системы отсчета воздушной массы - из трех сил Подъемная сила, Сопротивление и Вес, Вес - единственная с любой составляющей, параллельной траектории движения планера через воздушную массу.Но если смотреть с земли, т. е. по отношению к траектории движения относительно земли, гравитация создает компонент силы, параллельный траектории, только в тех случаях, когда планер теряет высоту. Если планер набирает высоту, то вектор Веса оказывает компонент силы против направления траектории планера, если смотреть с земли, а не в том же направлении, что и траектория планера, если смотреть с земли. Если планер летит горизонтально, то, с точки зрения наземной системы отсчета, вектор веса не оказывает силовой составляющей вдоль направления траектории планера и не совершает никакой работы над планером.

Это означает, что всякий раз, когда вектор скорости планера, если смотреть с земли, постоянен и является чисто горизонтальным, силы, действующие вдоль направления движения со стороны векторов подъемной силы и сопротивления, должны быть точно равными и противоположными. Всякий раз, когда планер движется горизонтально и вектор скорости планера, если смотреть с земли, имеет компонент, направленный к носу планера, а не к его хвосту, вектор подъемной силы помогает тянуть планер по траектории его движения, и вектор перетаскивания сопротивляется этому притяжению таким образом, что оно нейтрализуется. И наоборот, если планер движется горизонтально и назад, если смотреть с земли, то вектор сопротивления помогает тянуть планер по пути его движения, а вектор подъемной силы сопротивляется этому притяжению таким образом, что оно полностью компенсируется.

Векторы подъемной силы и сопротивления фиксированы в своем геометрическом отношении к относительному ветру: подъемная сила перпендикулярна относительному ветру, а сопротивление параллельно относительному ветру. Кроме того, для любого заданного отношения L/D и значения веса векторы подъемной силы и сопротивления фиксированы по величине. Тот факт, что в наземной системе отсчета составляющая силы, действующая в направлении движения планера от векторов подъемной силы и сопротивления, изменяется в зависимости от направления ветра и скорости восходящего или нисходящего потока, на самом деле является просто артефактом того факта, что направление относительный ветер не фиксирован по отношению к направлению и величине вектора скорости планера, если смотреть с земли.

Работа, совершаемая силой, определяется как пройденное расстояние, умноженное на составляющую силы, действующую в направлении движения, и для выполнения работы над планером или любым другим телом требуется энергия. На самом деле не имеет смысла спрашивать, какой источник энергии отвечает за какой-либо конкретный компонент аэродинамической силы, такой как компонент вектора подъемной силы или сопротивления, который действует параллельно траектории полета, если смотреть с земли. В конечном счете, если смотреть с земли, любая ЧИСТАЯ энергия, передаваемая из атмосферы планеру посредством комбинированного действия векторов подъемной силы и сопротивления, может исходить только от восходящих потоков. Только при наличии восходящего потока планер может набирать высоту при полете с постоянной скоростью, независимо от скорости и направления горизонтального ветра. Конечно, поскольку планер извлекает кинетическую энергию из восходящего потока и преобразует ее в свою собственную гравитационную потенциальную энергию, восходящий поток должен замедляться на бесконечно малую степень. Единственный случай, когда планер не увеличивает и не уменьшает кинетическую энергию окружающей среды.местная воздушная масса - это когда планер движется чисто горизонтально, а не тонет или поднимается.

И основным источником энергии, питающим восходящие потоки — будь то тепловые восходящие потоки, восходящие потоки «хребта» или горные волны — является солнце. Эта сила может быть передана либо прямым солнечным нагревом земли непосредственно под ней, либо сложными метеорологическими процессами, затрагивающими всю глобальную погодную систему.

Вопрос также задавался о самолетах с двигателями.

Предположим для простоты, что Thrust действует прямо противоположно Drag.

В случае, когда Тяга меньше, чем Сопротивление, самолет в точности похож на планер, за исключением того, что мы заменяем «(Сопротивление минус Тяга)» везде, где в объяснении встречается «Тяга».

В случае, когда Тяга и Сопротивление равны, объяснение относительно вектора Сопротивления точно такое же, как объяснение «первого приближения» (предполагая бесконечное отношение L/D) выше. И в этом случае добавляется вектор подъемной силы, помогающий тянуть самолет вперед по его траектории относительно земли в любое время, когда самолет находится в восходящем воздухе, без исключения и независимо от встречного или попутного ветра.

В случае, когда Тяга больше, чем Сопротивление, тогда идея о том, что компонент вектора Подъемной силы помогает тянуть самолет вперед по траектории полета самолета, если смотреть с земли, верна только тогда, когда достигнутый коэффициент набора высоты самолета относительно земли равен лучше (т.е. меньше чем), чем отношение L/(TD). Для этого потребуется восходящий поток, или встречный ветер , или и то, и другое, и слабого восходящего потока может быть недостаточно, чтобы компенсировать сильный встречный ветер, а слабого встречного ветра может быть недостаточно, чтобы компенсировать сильный нисходящий поток.

В случае, когда Тяга больше, чем Сопротивление, то идея о том, что вектор Сопротивления поможет тянуть самолет по траектории самолета, если смотреть с земли, может быть верной только тогда, когда траектория самолета, если смотреть с земли, имеет компонент, указывающий в в том же направлении, что и вектор сопротивления. Для отношений L/(TD), которые не слишком велики (т. е. угол набора высоты в неподвижном воздухе не очень хорош), в первом приближении это означает, что самолет дрейфует назад над землей, но это приближение не применимо. к чрезвычайно высоким углам набора высоты в неподвижном воздухе. Самолет, который мог набирать высоту с высокой скоростью в неподвижном воздухе, мог бы в той же конфигурации двигаться (если смотреть с земли) только в направлении вектора сопротивления при наличии невероятно сильного нисходящего потока.