Верна ли эта векторная диаграмма сил, действующих в поворотном полете?

введите описание изображения здесь

См. это изображение на странице 5-24 Справочника пилотов по авиационным знаниям FAA (издание 2016 г.) .

Для целей этого вопроса давайте возьмем ньютоновскую точку зрения, согласно которой Вес является реальной силой.

Для простоты, хотя это и не обязательно имеет значение, предположим, что движение воздушной массы равно нулю, т. е. нет ветра.

Для простоты предположим, что вектор Тяги точно равен по величине и противоположен по направлению вектору Сопротивления, хотя в действительности это не всегда может быть точно так.

Предположим, что намерение иллюстратора состоит в том, чтобы любые силы, не включенные в иллюстрацию, были уравновешены равными и противоположными силами, которые также не включены в диаграмму. Например, предположим, что Thrust отменяется Drag.

Не обращайте внимания на странность использования синего цвета для представления вектора, который является векторной суммой оранжевых векторов в отношении векторов «Поднятия», но не следует этому соглашению для других оставшихся векторов. (Возможно, намерение иллюстратора состоит в том, чтобы зарезервировать синий цвет для сил, которые на самом деле являются реальными силами и не являются ни результатом разложения других сил, ни фиктивными силами или векторными суммами фиктивных сил и реальных сил?)

Предположим, что намерение иллюстратора состоит в том, чтобы представить «Нагрузку» как векторную сумму «Веса» и «Центробежной силы», точно так же, как «Подъемная сила» представляет собой векторную сумму его вертикальной и горизонтальной составляющих.

Предположим, что вектор с пометкой «Подъемная сила» предназначен для представления составляющей аэродинамической силы, создаваемой крылом, которое действует ортогонально направлению траектории полета в направлении «вверх» в системе отсчета самолета, т.е. вертикальный плавник.

Примем за «данность», что ориентация вектора с надписью «Нагрузка» верна, т. е. что этот вектор указывает направление, в котором маятник, подвешенный в самолете, ориентировался бы в каждом случае. Он представляет собой «кажущуюся инерционную нагрузку», испытываемую воздушным судном и его содержимым.

Предположим, что направление мгновенной траектории направлено прямо от страницы к читателю. Обратите внимание, что нос самолета может быть слегка наклонен, чтобы указывать немного влево или вправо от направления мгновенной траектории, хотя иллюстратор на самом деле не показал этого, за исключением заштрихованных стрелок на законцовке крыла, которые предполагают, что самолет движется боком. относительно направления, на которое указывает нос. Цель вопроса состоит в том, чтобы спросить, правильно ли изображены фактические векторы сил, а не в том, правильно ли изображена ориентация самолета в пространстве.

Собственно вопрос(ы):

A) Включение вектора «Центробежная сила» указывает на то, что иллюстратор использует систему отсчета, закрепленную на самолете, которая, очевидно, не является допустимой инерциальной системой отсчета. С учетом того, что это «данность», верны ли диаграммы? Если нет, то что с ними не так? Разве результирующая сила не должна быть равна нулю в этой системе отсчета?

Б) Если мы удалим вектор с пометкой «Центробежная сила» и вектор с пометкой «Нагрузка», будут ли диаграммы правильно иллюстрировать каждую ситуацию, наблюдаемую из земной системы отсчета? (Для простоты предположим, что Земля является действительной инерциальной системой отсчета с ньютоновской точки зрения, т. е. пренебрегаем фактом, что Земля действительно вращается вокруг Солнца и т. д.) Если нет, то почему, т. е. что не так с диаграммами? Обратите внимание, что если мы удалим вектор с пометкой «Центробежная сила» и вектор с пометкой «Нагрузка», то все векторы силы, показанные на каждой из трех диаграмм, будут идентичными.

C) Представляется возможным, что на некоторых диаграммах должна быть включена какая-то дополнительная реальная аэродинамическая сила. Так ли это? Что это за сила? Как должны выглядеть «исправленные» диаграммы?

Смежный вопрос по PSE: Поворот самолета - скоординированный поворот и инклинометр («мяч») ?

Ссылка на вопрос, аналогичный текущему, на сайте Aviation Stack Exchange (пока не было получено хорошо принятых ответов): чего не хватает на этих диаграммах сил при проскальзывании и салазках?

Я решил задать тесно связанный вопрос по Physics SE, потому что хотел использовать различный опыт другого сообщества, которое могло бы подойти к проблеме с другой точки зрения.

Этот вопрос теперь является темой двух вопросов по метаданным PSE: physics.meta.stackexchange.com/questions/12902/… , physics.meta.stackexchange.com/questions/12900/…

Ответы (1)

В системе отсчета самолета сумма физических и фиктивных сил всегда должна быть равна нулю, поэтому мы можем легко сказать, что вторая и третья диаграммы, обозначенные как «разворот с проскальзыванием» и «разворот с заносом», неверны.

Я думаю, что недостающим компонентом является боковое сопротивление в горизонтальном направлении. Величина этой составляющей сопротивления будет зависеть от относительной поперечной скорости самолета по отношению к окружающему воздуху. На схеме «скользящего поворота» боковое сопротивление должно действовать в том же направлении, что и центробежная сила, чтобы уравновесить горизонтальную составляющую подъемной силы. На схеме «скольжение поворота» боковое сопротивление должно действовать в противоположном направлении, чтобы уравновесить центробежную силу.

Этот хороший ответ можно было бы улучшить, заменив фразу «боковое сопротивление» фразой «боковая сила из-за« боковой подъемной силы », создаваемой фюзеляжем и другими поверхностями, движущимися в воздухе вбок».
или фраза «Аэродинамические силы, перпендикулярные плоскости подъемной силы-сопротивления»
И я бы сказал, что лучшим решением было бы просто наклонить (наклонить) подъемную силу так, чтобы она больше не была перпендикулярна крыльям, и назвать ее общей аэродинамической силой. Если необходимо для ясности, его также можно было бы показать в компонентах, один перпендикулярен крыльям, а другой перпендикулярен плоскости подъема-сопротивления (параллельно крыльям).
Подъемная сила определяется как составляющая аэродинамической силы, перпендикулярная скорости потока, а сопротивление определяется как составляющая, параллельная скорости потока. Таким образом, я думаю, что горизонтальную силу, возникающую из-за поперечной скорости самолета, можно с уверенностью назвать силой сопротивления. Отдельно стоит отметить, что существование поперечной скорости означает, что подъемная сила больше не обязательно находится в плоскости бумаги (или экрана компьютера), так что это еще одна проблема с диаграммами.
@Tofi - разве сила, параллельная скорости потока, не будет направлена ​​​​прямо от зрителя и, следовательно, не видна на диаграмме? Учитывая предполагаемое направление траектории, как указано в вопросе. Может быть, вы чувствуете, что направление траектории следует описывать по-другому?
@quietflyer, если есть боковая составляющая скорости, то сопротивление не будет направлено сразу, но будет иметь и боковую составляющую.
Нет, вы не можете назвать это Drag Force. Сопротивление аналогично определяется как составляющая интегральной суммы всех аэродинамических сил, которая выровнена параллельно вектору скорости истинной воздушной скорости (почти перпендикулярно плоскости обзора), в то время как подъемная сила - это составляющая, перпендикулярная вектору скорости. Когда самолет находится в боковом скольжении, вы также можете разделить подъемную силу на две составляющие: одну, перпендикулярную плоскости, образованной вектором скорости и вертикальной осью самолета, и другую, перпендикулярную плоскости, образованной крыльями и вектор скорости.
Также можно добавить ясности, если изобразить самолет так, чтобы мы смотрели на него не прямо вперед, а с одной стороны от носа, вдоль линии обзора, которая была бы параллельна вектору скорости.
@CharlesBretana - интересный момент заключается в том, что во время бокового скольжения даже вектор сопротивления может создавать крутящий момент, если точка, в которой действует вектор сопротивления, находится выше (или ниже) ЦТ самолета. Пища для размышлений. Но в любом случае вопрос гласит, что траектория самолета должна исходить прямо из страницы, прямо к зрителю. Возможно, Тофи считает, что это не очень хорошее предположение, но, учитывая это ограничение, я не вижу, как вектор сопротивления будет отображаться на диаграмме.
@CharlesBretana - «Может также добавить ясности изображение самолета так, чтобы мы смотрели на него не прямо вперед, а с одной стороны носа, вдоль линии обзора, которая была бы параллельна вектору скорости. " - я предполагаю, что мы должны предположить, что диаграмма иллюстрирует именно эту ситуацию, несмотря на то, что изображение самолета не совсем правильное. Возможно, это не очень хорошее предположение, но именно его я включил в вопрос.
@quietFlyer, поскольку на всех трех изображениях самолет кажется выходящим прямо из бумаги, любое утверждение о том, что «траектория самолета должна исходить из страницы», подразумевает, что боковое скольжение отсутствует. , вывод, который создает еще одну аномалию или искажение в этих диаграммах. Я предполагаю, что этот момент можно было бы проигнорировать из-за того, что автор не хотел или не мог получить более точные иллюстрации, но это, безусловно, добавляет нехватки ясности.
@Tofi - я согласен с тем, что нарисованные иллюстрации иллюстрируют сам самолет, а не траекторию полета, указывая прямо со страницы на зрителя. Поскольку векторы подъемной силы и сопротивления определяются относительно траектории полета, это означает, что ЕСЛИ предполагается, что вектор подъемной силы на каждой диаграмме имеет одинаковый размер, как это, по-видимому, и является намерением иллюстратора, то в случаях проскальзывания и заноса будет немного меньшая составляющая вертикальная и горизонтальная составляющие вектора подъема должны отображаться на странице, чем в скоординированном случае.
Таким образом, действительно неясно, должна ли быть направлена ​​траектория полета или курс самолета прямо из бумаги. В формулировке вопроса я сказал принять первое, но я не уверен, что это действительно так важно для ответа.
Больше будет в чате.
Этот ответ теперь является предметом обсуждения на PSE Meta -- physics.meta.stackexchange.com/questions/12902/…