Силы, «ощущаемые» пилотом, акселерометром, инклинометром — это аэродинамические силы, создаваемые самолетом, или сумма веса и центробежной силы?

Ответ заключается в нарушении термина аэродинамика. Это может быть очевидно, но я все равно скажу: «Aero» на латыни означает «воздух».

Так может ли человеческое тело воспринимать аэродинамическую силу? Абсолютно. Наклоняться под ураганным ветром, высовывать руку из окна автомобиля, прыгать с парашютом, даже ощущение легкого бриза на лице — все это примеры ощущения аэродинамической силы.

Однако при отсутствии прямого контакта с наружным воздухом другие воспринимаемые силы в движущемся транспортном средстве не являются (по определению) аэродинамическими. Когда вы находитесь в самолете (или машине, или поезде...), вы не ощущаете непосредственно аэродинамическую силу, кроме как от вентиляционных отверстий. Вы эффективно изолированы и защищены от внешних сил, действующих на планер.

Вот почему вы можете пройти по проходу авиалайнера, чтобы воспользоваться туалетом, не борясь с лобовым сопротивлением в 500 узлов.

Гравитация — это основная сила, воспринимаемая человеческим телом, с которой мы наиболее знакомы. В движущемся объекте может ощущаться дополнительная сила при изменении направления движения. То, что вы чувствуете, это то, что ваш импульс сдерживается. Это называется центробежной силой, и любой, кто ездил на машине, чувствовал, как она поворачивает за угол.

Многие возразят, что центробежная сила не является «настоящей» силой. С инженерной точки зрения я принимаю это и не собираюсь здесь спорить об этом. Но она легко воспринимается, доказуема и предлагает лучшее объяснение силы G для неспециалиста.

И это достаточно реально: это достаточно реально, чтобы держать эту воду в ведре, которое вы качаете над головой. Это достаточно реально, чтобы держать ваше тело прижатым к стене, когда пол падает на вращающемся аттракционе Гравитрон на окружной ярмарке. Это достаточно реально, чтобы быть ошибочно воспринятым как (вертикальная) гравитация в пологом повороте, когда визуальные сигналы отсутствуют. И это достаточно реально, чтобы пилот-истребитель или пилот-акробатик потерял сознание при 7g, если не будут использованы меры противодействия.

Если отрицание центробежной силы для целей вычислений улучшит ваше понимание «реальных» сил, тогда, пожалуйста, не обращайте внимания на мое объяснение. Но если вы пытаетесь связать то, что пилоты чувствуют в самолете, с более обычным повседневным опытом, то, возможно, этот ответ внесет некоторую ясность.

Таким образом, аэродинамические силы, создаваемые самолетом, создают центробежную силу, которую (добавленную к земной гравитации) испытывает тело.

Могут ли более чем одно из этих утверждений быть правдой одновременно?

Да. Дело только в точке зрения или, точнее, в системе отсчета.

Сначала рассмотрим тривиальный случай: самолет стоит на земле с выключенным двигателем. Пилот почувствует, как его вес давит на сиденье даже при отсутствии аэродинамических сил. То, что он чувствует, — это гравитация, а сила — это произведение его массы и гравитационного ускорения.

Теперь сделайте то же самое с самолетом, летящим в горизонтальном полете. Силы, действующие на пилота, все те же, так что он снова чувствует гравитацию. Только теперь самолет поддерживается не шасси и землей, а подъемной силой крыла ( и снова землей ).

Следующий шаг: Пилот совершает пикирование, за которым следует подтягивание на 2 g, что означает, что акселерометр показывает 2 g. Снова смотрим на момент, когда самолет стоит ровно, но теперь он летит по кривой траектории полета. Это добавляет центробежную нагрузку в 1 г к 1 г силы тяжести, и пилот чувствует вдвое большую силу веса, чем он чувствовал раньше. Теперь придирки скажут, что это не вес, потому что вес — это произведение массы и гравитационного ускорения, но нашему пилоту сейчас все равно. У него болят ягодицы, вот что имеет значение.

И ни акселерометр, ни пилот не могут отличить гравитацию от центробежной силы — все они ощущаются одинаково, и только их сумма ощущается как единое ощущение.

Теперь переключите системы отсчета и посмотрите на обтекание крыла. Скорость и угол атаки в совокупности создают подъемную силу, в два раза превышающую вес самолета в горизонтальном полете. Это чистая аэродинамика, без гравитации или центробежной нагрузки. Строго говоря, аэродинамическая сила на крыле даже немного выше, чтобы компенсировать более высокую прижимную силу хвоста, возникающую в результате дифферента для преодоления демпфирования по тангажу. Если рассматривать самолет целиком как единый объект, то его общая подъемная сила теперь в два раза выше, чем при горизонтальном полете.

Эта сила передается на кресло пилота и приборную доску и ощущается там как сопротивление ускорению. В зависимости от вашей точки зрения, либо пилот ускоряется в своем кресле, либо сиденье давит на пилота. Действие равно противодействию.

Следующий переключатель: Та же кривая траектория полета, но теперь в тот момент, когда самолет перевернут. Теперь центробежное и гравитационное ускорения компенсируют друг друга, g-метр показывает ноль, и пилот чувствует себя невесомым. Для этого пилоты должны передвинуть ручку управления вперед и уменьшить подъемную силу крыла примерно до нуля, иначе подъемная сила крыла потянет самолет вниз. В этот момент у нас нет аэродинамического вклада в вертикальные силы, ощущаемые как пилотом, так и акселерометром.

Теперь пилот толкает ручку еще больше вперед, чтобы его траектория полета снова стала прямой и ровной, только с самолетом в перевернутом положении. G-метр теперь показывает -1 g, сила привязи, давящей на плечи пилота, снова равна его весу, умноженному на гравитационное ускорение, но то, что позволяет привязи поддерживать пилота, - это подъемная сила крыла, к которому прикреплена привязь. Смените систему отсчета, и пилот снова почувствует аэродинамику. Пусть он пошевелит ручкой, и изменение аэродинамики сразу почувствуется на его плечах.

Это ускорение объекта в поперечном направлении из-за перехода от прямого пути к криволинейному. Вы просто вместе для поездки. Если вы крутите мяч на веревке в вертикальной плоскости, я думаю, вы могли бы рассматривать это как вектор подъемной силы, являющийся струной. Когда мяч проходит дно дуги, у вас есть центробежная сила (мяч вынужден двигаться по дуге) плюс сила тяжести, создающая натяжение струны; на струну или подъемную силу действует вес шара плюс центробежная сила, возникающая при движении по дуге. И самолет, и вы, как пилот, чувствуете свой вес плюс увеличение вашего веса из-за ускорения, создаваемого моим движением по дуге, когда я нахожусь в нижней части петли, и чувствую (и структуру самолета подвергается),

А наверху центробежная сила МИНУС гравитация. В вращающейся струне/шарике, если вращение слишком медленное, центробежная сила становится меньше силы тяжести, струна провисает и шарик падает. В самолете, если вращение слишком медленное или вы не держите правильную дугу с помощью руля высоты, вы достигаете нуля G, крылья вообще не создают подъемной силы (слабая струна) и могут выпасть из верхней части. петли, если вы пытаетесь заставить крыло лететь перевернутым, чтобы удержать дугу петли (так пилоты входят в перевернутые штопоры), или, как минимум, ваша петля становится D-образной, и судьи оценивают вас или толпа на авиашоу освистывает.

Итак, то, что чувствует пилот, — это гравитация плюс-минус ускорение, создаваемое движением по нелинейной траектории. В нижней части петли кажущаяся сила тяжести ниже, но увеличена. В верхней части петли кажущаяся гравитация выше, потому что боковое ускорение, создаваемое дуговым движением, больше, чем сила тяжести (в верхней части петли вы обычно чувствуете от четверти до половины G, потому что центробежное ускорение составляет около 1,2–1,5). Общее G; если вы едва превысите предел и получите центробежное ускорение всего 1G, оно полностью нейтрализуется гравитацией, и вы почувствуете себя невесомым и будете на грани выпадения — лучше не толкайтесь, особенно если вы у вас нет перевернутой топливной и масляной системы).

При заносе это точно такое же боковое ускорение, которое в сумме с силой тяжести создает новую «кажущуюся» силу тяжести. Вращайте шарик на струне горизонтально, но медленно, чтобы движение струны описывало конус. Угол струны — это «кажущаяся» гравитация, ощущаемая мячом, а также то, что вы воспринимаете как «вниз» при заносе в самолете. Наклоните самолет на угол, соответствующий скорости изменения направления, и теперь кажущаяся сила тяжести выровнена с вертикальной осью самолета, а стакан с водой на приборной панели расположен на одном уровне с панелью, как если бы вы были неподвижны, и все в порядке. с миром.

Сумма сил инерции в корпусе самолета равна по величине и противоположна по направлению сумме всех внешних (что для самолета означает аэродинамические силы и тяга) сил, действующих на самолет.

• За секунду закон движения,$a = \frac{F}{m}$. Поскольку летательный аппарат не разгоняется в присоединенной к себе системе отсчета, внешние силы и силы инерции в ней должны быть уравновешены. Они действуют как пара действия и реакции в отношении объектов внутри самолета, таких как шар скольжения или пилот.
• Согласно общей теории относительности гравитация локально неотличима от ускорения системы отсчета и для всех целей ведет себя как сила инерции. Поэтому под внешними силами подразумеваются только аэродинамические силы и тяга (винтовую тягу можно включить в аэродинамические силы, а реактивную тягу включать нельзя, а для реактивной тяги это несколько непонятно).

Таким образом, утверждение, что вы чувствуете аэродинамические силы или гравитацию и центробежные силы, одинаково верно и является лишь вопросом точки зрения.

Единственными силами, ощущаемыми пилотом, являются аэродинамические силы от давления атмосферы на поверхность самолета и тяги двигателей. Вопреки общепринятым представлениям, Гравитация не является «силой». Это всего лишь искусственная конструкция, которую мы используем, чтобы заставить математику работать, потому что мы обычно измеряем движение вещей (например, самолета) в ускоренной системе отсчета (FOR). Фактически, если бы самолет находился в свободном падении (нулевой угол атаки и нулевая подъемная сила), то пилот чувствовал бы только силу двигателей и силу аэродинамического сопротивления формы. В горизонтальном полете пилот чувствует дополнительную перегрузку, давящую на его ягодицы, потому что планер создает дополнительную подъемную силу (аэродинамическую силу, перпендикулярную вектору траектории полета и земле), достаточную для поддержания постоянной высоты. В свою очередь, пилот не чувствует «центробежной» силы. «Центробежная» сила — это еще одна искусственная конструкция или «фиктивная сила», которую мы используем для измерения вещей в неинерционных (ускоренных) ПО. Вращающееся ЗА - это ускоренное ЗА. Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). «Центробежная» сила — это еще одна искусственная конструкция или «фиктивная сила», которую мы используем для измерения вещей в неинерционных (ускоренных) ПО. Вращающееся ЗА - это ускоренное ЗА. Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). «Центробежная» сила — это еще одна искусственная конструкция или «фиктивная сила», которую мы используем для измерения вещей в неинерционных (ускоренных) ПО. Вращающееся ЗА - это ускоренное ЗА. Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). мы используем из-за измерения вещей в неинерционных (ускоренных) ФО. Вращающееся ЗА - это ускоренное ЗА. Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). мы используем из-за измерения вещей в неинерционных (ускоренных) ФО. Вращающееся ЗА - это ускоренное ЗА. Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). Пилот ощущает дополнительную аэродинамическую силу на планере, необходимую для поворота самолета (изменения его направления движения). не почувствует никакой дополнительной силы. Объясняя это, прибегая к «центробежной» силе, а затем думая о ней как о балансе какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, вы только добавляете ненужную сложность. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). а затем думать об этом как об уравновешивании какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, просто добавляет ненужной сложности. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя). а затем думать об этом как об уравновешивании какой-то другой фиктивной «центростремительной» силы, просто добавляет ненужной сложности. Все силы, которые вы чувствуете, связаны с аэродинамическими силами, толкающими поверхность планера (и двигателя).

На самом деле, если вы немного почитаете о гравитации, вы узнаете, что теория гравитации Ньютона, где она представлена ​​как «сила», хотя и дает почти правильные ответы в 99,999% случаев, с которыми мы знакомы, на самом деле абсолютно неправильно. Эйнштейн показал и доказал, что гравитация — это эффект массы, искажающей кривизну пространства-времени таким образом, что все, что движется относительно инерциальной (неускоренной) системы отсчета, «кажется» движущимся в кривая дорожка.

В ЗА земли «то, что у вас осталось, это гравитация». Но вы НЕ чувствуете этого. То, что вы чувствуете, это сила подъемной силы на крыльях. «Гравитация» — это результат тензора переноса кадров, который вы использовали бы для перевода ответов, полученных в одном FOR, в другое FOR, когда два рассматриваемых FOR ускоряются относительно друг друга. «сила» (которая не ощущается ), чтобы привести вещи в равновесие. Взгляните на Inertial_frame_of_reference . В частности, обратите внимание на третий абзац, а именно:

В неинерциальной системе отсчета в классической физике и специальной теории относительности физика системы меняется в зависимости от ускорения этой системы отсчета по отношению к инерциальной системе отсчета, и обычные физические силы должны быть дополнены фиктивными силами.
* мой курсив *

и последнее предложение:

Другим примером такой фиктивной силы, связанной с вращающимися системами отсчета, является центробежный эффект, или центробежная сила.

Одно из самых крутых представлений этой концепции находится в книге о гравитации и показывает, как траектории брошенного бейсбольного мяча, пули и луча света, движущиеся из одной точки в другую, будут иметь точно такую ​​же кривизну при графическом отображении в пространстве. -времени (в системе отсчета, ускоренной на один G), в отличие от их пути в обычном трехмерном пространстве. Если бы все они были изображены в системе нулевой гравитации (инерциальной) системы отсчета (свободное падение), казалось бы, что все они движутся по абсолютно прямой линии.

Нижняя граница. Все сложности и фиктивные искусственные «силы», которые мы используем для объяснения сил, действующих на движущиеся объекты, необходимы только потому, что мы измеряем движение в некоторой линейной или вращательно-ускоренной системе отсчета. Нам нужно придумать дополнительные поддельные «силы», такие как гравитация и центробежная сила, чтобы объяснить вещи, потому что мы пытаемся измерить ускорение в системе отсчета (Земля), которая УЖЕ УСКОРЯЕТСЯ! Единственными реальными силами, действующими на самолет, являются сила давления воздуха на самолет (аэродинамические силы) и тяга двигателя[ов].

В этом ответе мы будем использовать «ощущение» или «ощущение» для обозначения силы или ускорения, которые воспринимаются пилотом и передаются через конструкцию самолета в виде напряжений или деформаций. В «невесомости» результирующая сила или ускорение не равны нулю, но «ощущаемая» сила или ускорение равны нулю.

Можно утверждать, что сила или ускорение, «ощущаемые» пилотом и регистрируемые приборами в полете, представляют собой просто результирующую аэродинамическую силу или ускорение, создаваемое самолетом. Чтобы получить фактическую результирующую силу, действующую на самолет, мы должны добавить гравитацию к аэродинамическим силам. Другими словами, «ощущаемая» сила или ускорение — это чистая сила или ускорение, действующая на самолет, за вычетом силы или ускорения под действием силы тяжести.

Примеры--

1) Прямолинейный и ровный вертикальный полет - нулевое суммарное ускорение, нулевая результирующая сила, «ощущаемое» ускорение 1-G в направлении вверх, сила, «чувствуемая» пилотом, просто равна его весу, действующему в направлении вверх. Эта сила представляет собой аэродинамическую подъемную силу, создаваемую крыльями, которая передается через конструкцию самолета на нижнюю часть сиденья, а затем на тело пилота.

2) Самолет перевернут в верхней части петли - снова ускорение и сила, «ощущаемые» пилотом, являются просто результатом чистой аэродинамической силы, создаваемой самолетом. Если крылья создают положительную подъемную силу, пилот и акселерометр будут ощущать положительные перегрузки, а если крылья создают отрицательную подъемную силу, пилот и акселерометр будут ощущать отрицательные перегрузки. Если крылья создают нулевую подъемную силу, пилот и акселерометр почувствуют нулевую перегрузку (невесомость).

3) Установившийся скоординированный поворот - результирующая аэродинамическая сила, создаваемая самолетом, представляет собой просто вектор подъемной силы крыла, который не содержит боковой (боковой) составляющей в системе отсчета самолета. Скользящий шар находится по центру. Между тем результирующая сила, включая силу тяжести, является чисто горизонтальным вектором силы — вектором центростремительной силы, — который приводит в движение поворот. Этот вектор силы имеет боковую (боковую) составляющую в системе отсчета самолета, но шар скольжения-скольжения находится в центре.

4) Разворот с некоторым боковым скольжением — нос самолета может быть направлен наружу поворота. Воздушный поток воздействует на боковую часть фюзеляжа и создает аэродинамическую боковую силу. Теперь результирующая аэродинамическая сила, создаваемая самолетом, включает в себя боковую (боковую) составляющую, поэтому шар скольжения-скольжения движется внутрь поворота, а тело пилота имеет тенденцию наклоняться к стенке кабины, которая находится внутри. очереди.

Тем не менее, если мы возьмем наш самолет, прикрепим его к американским горкам и запустим его через петли, плоские повороты и т. Д., Пилот все равно «чувствует» кажущиеся силы, а акселерометр и инклинометр все еще дают показания. Чем вызваны эти кажущиеся силы? (Для простоты предположим, что американские горки находятся в вакууме.)

Мы можем сказать, что эти кажущиеся силы полностью обусловлены силами, воздействующими на рельсы американских горок на колеса американских горок, при этом гравитация не играет никакой роли. Это аналогично утверждению, что силы, «ощущаемые» в полете, полностью обусловлены аэродинамическими силами, создаваемыми самолетом, при этом гравитация не играет прямой роли.

Тем не менее, мы также можем сказать, что эти кажущиеся силы полностью обусловлены комбинированным действием гравитации и «центробежной силы». Очевидно, что если мы не начнем петлю на американских горках с достаточной скоростью, чтобы поддерживать положительную перегрузку на всем пути, мы будем висеть вверх ногами в ремнях безопасности, когда будем перепрыгивать через вершину.

Ключом к примирению этих точек зрения является точное понимание того, что такое «центробежная сила». Это кажущаяся сила, создаваемая искривлением траектории движения транспортного средства. Это не настоящая сила. Это в основном просто зеркальное отражениереальных сил, действующих на кривую траектории движения автомобиля. Для (почти) каждой центростремительной силы, действующей на кривизну траектории транспортного средства, мы можем сказать, что пассажиры «чувствуют» очевидную «центробежную силу», действующую в другом направлении. Когда мы делаем скоростной поворот налево в автомобиле на ровной поверхности, шины создают реальную силу, направленную влево, и мы говорим, что воспринимаем центробежную силу вправо и отбрасываемся на правую внутреннюю стенку. из машины. Если мы хотим понять, в каком направлении будет отклоняться шар с проскальзыванием, мы могли бы рассмотреть реальную центростремительную силу от шин или кажущуюся «центробежную силу», создаваемую результирующей скоростью поворота, но не то и другое одновременно. Если рассматривать обе силы, мы получаем нулевую результирующую силу - они компенсируют друг друга - предсказывая, что шар с проскальзыванием вообще не отклонится. Это было бы неправильно. Мы не можем смешивать и сопоставлять кажущуюся «центробежную силу» с реальной центростремительной силой. Мы должны использовать и то, и другое.

В этом контексте мы не используем «кажущийся» для обозначения «войлочного компонента». Мы просто используем «кажущийся», чтобы напомнить себе, что «центробежной силы» на самом деле не существует.

Мы заявили, что «для (почти) каждой центростремительной силы, действующей на искривление, мы можем сказать, что пассажиры «чувствуют» «центробежную силу», действующую в другом направлении». Почему "почти"? Потому что мы не можем «почувствовать» центробежную силу, вызванную искривлением траектории движения автомобиля под действием силы тяжести. (Рассмотрите силы, которые ощущает космонавт на орбите.)

Почему гравитация такая особая сила? Силы от крыльев и силы от колес должны передаваться через конструкцию самолета и на внешнюю часть тела пилота. В результате в конструкции самолета и в теле пилота создаются напряжения и деформации. Напротив, гравитация оказывает одинаковое ускорение на единицу массы на каждую молекулу конструкции самолета и на каждую молекулу тела пилота, не создавая напряжений или деформаций, т. е. смещения одной части конструкции или тела относительно другой части. Точно так же, если мы не считаем, что внешний корпус скользящего шара или акселерометра жестко закреплен в пространстве, гравитация не стремится сместить какой-либо элемент любого из этих инструментов по отношению к любому другому элементу. Например, сила тяжести не имеет тенденции тянуть шарик инклинометра в одну сторону внутри стеклянной трубки, даже если трубка наклонена относительно земли. (Мы предполагаем, что наш инструмент намного меньше планетарного масштаба, так что приливными эффектами можно смело пренебречь!)

Мы определили «центробежную силу» как кажущуюся силу, которая является зеркальным отражением чистой центростремительной силы, действующей для управления кривой на траектории транспортного средства. Если сила тяжести не «ощущается», то какова «ощущаемая» составляющая этой кажущейся «центробежной» силы?

Поскольку гравитация уже «встроена» в чистую центростремительную силу, определяющую траекторию движения транспортного средства, отсюда следует, что кажущаяся восходящая сила, противоположная гравитации, уже «встроена» в кажущуюся «центробежную» силу, которая связана с этой центростремительной силой. Это означает, что «чувствуемая» центробежная сила равна общей центробежной силе плюс сила тяжести. Точно так же, как «чувствуемая» центростремительная сила равна полной центростремительной силе за вычетом силы тяжести.

(Обратите внимание: на самом деле только составляющая силы тяжести, действующая перпендикулярно траектории полета, «встроена» в вектор центростремительной силы. Для простоты при обсуждении «центростремительной силы» в этом ответе мы предположим, что мы смотрим на траекторию транспортного средства в точке, где траектория является строго горизонтальной, а не восходящей или нисходящей, и, таким образом, вектор полного веса действует перпендикулярно траектории полета.В качестве альтернативы мы могли бы мыслить в терминах трехмерной векторной суммы а не двумерный)

Ключевым моментом здесь является не спор о том, существует ли на самом деле «центробежная сила» или нет. Скорее ключ здесь в том, чтобы признать, что мы начинаем с ситуации, когда известна точная траектория, а затем мы вычисляем центростремительную (или центробежную) силу, которая участвует в создании этой траектории, а затем мы вычитаем (или добавление) силы тяжести, чтобы получить «чувствуемую» составляющую этой центростремительной (или центробежной) силы.

По сути, «центростремительная сила» — это просто другой способ сказать «чистая сила», за исключением того, что мы отбрасываем компоненты, которые действуют по касательной, а не перпендикулярно траектории полета. В контексте полета аэродинамические силы и сила тяжести встроены в концепцию «центростремительной силы». «Центробежная сила» — это кажущаяся сила или псевдосила, равная и противоположная реальной «центростремительной силе».

В случае с американскими горками «ощущаемая» составляющая центростремительной силы будет силой, действующей гусеницами на колеса, а «ощущаемая» составляющая центробежной силы будет равной и противоположной. В случае самолета «чувствуемой» составляющей центростремительной силы будет аэродинамическая сила, создаваемая самолетом, а «чувствуемой» составляющей центробежной силы будет равная и противоположная. Хотим ли мы сказать, что пилот, акселерометр и инклинометр реагируют на «ощущаемую» составляющую центростремительной силы или на «ощущаемую» составляющую центробежной силы, на самом деле это всего лишь вопрос условности, но на самом деле только первая существует.

Итак, все эти три вещи верны:

1) «Чувствуемая» сила = аэродинамическая сила = результирующая сила минус сила тяжести.

И

2) «Чувствуемая» сила = чистая центростремительная сила минус сила тяжести.

И

3) «Чувствуемая» нагрузка (ощущение кажущегося веса из-за ускорения под действием силы) = (чистая «центробежная» сила плюс сила тяжести) / масса

Здесь мы принимаем условность, согласно которой ощущаемая «нагрузка» действует в направлении, противоположном ощущаемой «силе» или ощущаемому «ускорению», точно так же, как кажущаяся «центробежная» сила действует в направлении, противоположном фактической центростремительной силе.

Хотим ли мы работать с терминами «центростремительных» или «центробежных» сил, на самом деле это просто вопрос соглашения. На самом деле реальны только «центростремительные» силы. Чтобы получить «чувствуемый» компонент, мы вычитаем гравитацию в первом случае и добавляем гравитацию во втором случае. Из-за того, что гравитацию на самом деле нельзя «почувствовать», но она уже «встроена» в центростремительные и «центробежные» силы.

Обратите также внимание, что, указав «центростремительный» (или «центробежный»), мы говорим, что мы ограничиваем интересующие компоненты силы и ускорения теми, которые действуют перпендикулярно (ортогонально) к траектории полета, и игнорируем те, которые действуют параллельно (по касательной). ) к траектории полета. Первое уравнение в списке из трех выше не имеет этого ограничения.

Часто можно увидеть диаграммы в руководствах по летной подготовке, которые пытаются рассматривать «центробежную силу» как всего лишь один компонент из нескольких сил, действующих для искривления траектории полета. Было опубликовано множество диаграмм, в том числе FAA, которые иллюстрируют отклонение шара скольжения в поворотном полете как результат баланса сил между «центробежной силой» и «гравитацией» и подъемной силой или между «центробежной силой». "и поднимите. (Как ни странно, реальная аэродинамическая боковая сила, вызванная фюзеляжем, летящим боком в воздухе, неизменно опускается.) Поначалу это кажется интуитивно правильным — если вы вносите в картину гравитацию, а не просто рассматриваете только центробежную силу, то почему бы не ввести поднять в картину тоже? Но этот подход просто не работает. Влияние вектора подъемной силы уже включено в вектор центробежной силы. Чтобы объяснить силы, «ощущаемые» при скоординированном или нескоординированном повороте, нам нужно работать с точки зрения реальных аэродинамических сил или нам нужно работать с точки зрения баланса между «центробежной силой» и гравитацией, что по сути то же самое, что и работает с точки зрения баланса между центростремительной силой и гравитацией. Диаграмма, сочетающая гравитацию, центробежную силу,и лифт просто не может держать воду.

Если траектория полета полностью ограничена, то подход «центробежная сила плюс гравитация» (или «центростремительная сила минус гравитация») работает хорошо. Например, если траектория полета известна как линейная, то известно, что центробежная сила равна нулю, а шар скольжения-скольжения работает как пузырьковый уровень, сообщая нам, какой путь вниз.

Но во многих ситуациях траектория полета не обязательно должна быть линейной. Кроме того, в отличие от американских горок, радиус поворота может свободно изменяться при изменении подъемной силы, а траектория полета также может изгибаться вверх и вниз в вертикальной плоскости. Вот почему так полезно принять точку зрения, что силы, «ощущаемые» в полете, являются просто реальными аэродинамическими силами, создаваемыми самолетом, а гравитация и «центробежная сила» не играют непосредственной роли.

Рассмотрим, например , этот связанный ответ ASEо том, почему планер испытал отрицательную перегрузку в верхней части петли. Если мы представим, что петля вынуждена следовать по заранее определенной дорожке с заданным радиусом, как американские горки, мы могли бы представить, что объяснение просто в том, что мы не стартовали с достаточной скоростью, чтобы создать достаточную «центробежную силу», чтобы противодействовать сила тяжести и «сделать все наоборот», не болтаясь на ремнях. Но признавая, что траектория полета не ограничена следованием заранее определенной траектории, более полезно признать, что, когда мы «почувствовали» отрицательную перегрузку, крыло должно было лететь под отрицательным углом атаки и создание отрицательного подъема. В связи с этим возникает вопрос: «Почему крыло создавало отрицательную подъемную силу, когда ручка была полностью отведена назад? Почему угол атаки не оставался положительным,

Идея о том, что скоординированный поворот представляет собой «баланс» между центробежной силой и гравитацией, может быть технически верной, но она не имеет объяснительной силы, особенно в контексте траектории полета, которая может свободно изменяться в трех измерениях, поскольку подъемная сила и другие переменные разнообразны, а не вынуждены бегать по уже существующей трассе, как в случае с американскими горками. Это не показывает, что ключевым фактором «скоординированного» поворота является просто то, что фюзеляж обтекается воздушным потоком, так что самолет не создает боковой аэродинамической силы и, следовательно, не имеет составляющей аэродинамической силы в боковом (боковом) направлении в система отсчета самолета. Это может привести к мысли, что при боковом скольжении аномально низкая скорость поворота каким-то образом вызываетсамолет скользит боком по воздуху, вместо того, чтобы понимать, что самолет вынужден или позволяет ему лететь боком по воздуху, что создает аэродинамическую боковую силу (а также сопротивление), что вызывает снижение скорости поворота. Это может привести к мысли, что пилот должен каким-то образом регулировать угол атаки, чтобы получить «правильную» подъемную силу для воздушной скорости и угла крена, иначе самолет соскользнет внутрь поворота. (Сноска будет добавлена.)

Короче говоря, подход «центробежная сила плюс гравитация» часто не самый полезный способ взглянуть на проблему, когда траектория полета может свободно изменяться, а не ограничиваться определенной формой, такой как прямая линия или идеально круглая петля. заранее определенного радиуса или круглого горизонтального круга с заранее определенным радиусом поворота и углом крена или воздушной скоростью. Если мы не реконструируем «ощущаемые» силы (то есть аэродинамические силы) из сохраненного путевого журнала, который был записан с невероятной точностью, подход «центробежная сила плюс сила тяжести» не имеет большого применения. Чтобы знать, что такое «центробежная» сила, мы должны знать, что такое траектория, а чтобы знать, что такое траектория, мы обычно должны знать силы, действующие на самолет, включая аэродинамические силы,

Подход «центробежная сила плюс гравитация», как правило, лучше подходит для понимания сил, ощущаемых в гоночных автомобилях, движущихся по трассам с фиксированными углами наклона и фиксированными радиусами поворота, или угол, под которым движется веревка фиксированной длины, привязанная к ведру, полному воды. по кругу, чем к силам, «ощущаемым» в самолете, траектория которого может свободно изменяться в трех измерениях. Но при правильном применении это не неверный взгляд на механику полета.