Domanda interessante. Puramente empiricamente, è il rapporto portanza / resistenza che stai cercando. Se prendi questo valore come dato per un aereo particolare, hai una risposta diretta per quanto sono le ali più efficaci. È il rapporto tra la portanza e la resistenza totale. Il motore deve solo vincere la resistenza.

Con L / D uguale all'unità avresti bisogno della stessa spinta del decollo verticale. Ma anche aeromobili ad ala fissa piuttosto "cattivi" avrebbero L / D di circa 5. Alianti o aerei simili costruiti con una forte attenzione all'aerodinamica possono avere un L / D di 50 o più (almeno in una gamma ristretta di velocità relativa).

Quindi sì, le ali sono più efficienti. Circa un ordine di grandezza come regola pratica per aerei comuni e velocità ottimale.

Perché il tuo ragionamento con l'aria spinta verso il basso non è corretto è più difficile da spiegare. Inizierò con il presupposto che, mentre l'aria passa un profilo alare, la sua velocità rispetto al profilo è inalterata e cambia solo la direzione. (So ​​che l'aria rallenta almeno a causa dell'attrito, ecc., Ma queste sono, almeno in teoria, cose evitabili non legate direttamente alla creazione dell'ascensore. Se c'è qualcosa di intrinsecamente correlato all'ascensore che fa cambiare il flusso d'aria non solo la direzione ma anche la velocità , allora si spera che qualcuno mi corregga qui.)

Guarda l'immagine. La massa d'aria che si muove inizialmente verso il profilo alare con velocità $ \ vec {v_0} $ viene deviata verso il basso di un angolo $ \ alpha $. Pertanto la variazione della velocità è $ \ vec {\ Delta v} $. Questa modifica può essere suddivisa in componenti orizzontali e verticali. Per mantenere il velivolo in aria, la componente verticale deve essere equivalente al peso del velivolo diviso per la portata di massa sull'ala. La componente verticale è correlata all'orizzontale da $$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2}. $$

Quindi, da questa visione semplicistica, la resistenza sarebbe $ \ tan \ alpha / 2 $ volte la spinta. Una maggiore portata di massa sull'ala (ali più lunghe, maggiore velocità relativa) consente di mantenere la stessa portanza con una minore deflessione ($ \ alpha $), quindi una minore resistenza dovuta alla portanza generata.

Commento aggiuntivo: come è correlato alla potenza e all'energia

La risposta sopra si concentra su come le ali riducono la necessaria spinta del motore, ma la domanda originale potrebbe essere interpretata in termini di efficienza energetica pure. Cercherò di aggiungere alcuni commenti su questa parte.

• semplice esempio - motore a razzo: non troppo tipico per gli aerei, ma semplice. Il razzo consuma la stessa quantità di carburante al secondo per generare un'unità di thurst indipendentemente dalle sue dimensioni e indipendentemente se punta verso l'alto (ed è statico rispetto all'aria) o in avanti (e si muove attraverso l'aria). È necessario bruciare proporzionalmente più carburante al secondo per generare una maggiore spinta. Quindi, per la propulsione a razzo, risparmierai carburante nella stessa proporzione alla diminuzione della spinta necessaria.

• I motori a elica o a reazione sono più complicati poiché la loro spinta e il consumo di carburante dipendono da anche il movimento del motore nell'aria. Come ha sottolineato David K ​​nella sua risposta, possiamo usare la quantità di moto e l'energia cinetica dell'aria accelerata per ottenere la potenza necessaria per l'unità di spinta.

  Con alcune semplificazioni, la spinta è la portata di massa attraverso il motore / elica moltiplicata dal cambiamento della velocità del flusso che provoca. $ T = \ dot m \ cdot (v _ {\ rm out} - v _ {\ rm in}) = \ dot m \ Delta v $. La potenza necessaria è $ P = \ dot m \ cdot {1 \ over2} (v _ {\ rm out} ^ 2 - v _ {\ rm in} ^ 2) = \ dot m \ Delta v \ cdot (v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2}) $. Quindi $$ {P \ over T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2} \,. $$

  Per mantenere il motore fermo contro la gravità, è necessaria una spinta maggiore rispetto agli aerei ad ala fissa in volo, come mostrato sopra. Se non "imbrogliamo" aumentando la portata di massa attraverso il motore (come costruendo il rotore di un elicottero o usando più motori), $ \ Delta v $ deve essere aumentato per ottenere la spinta necessaria. Quindi non solo hai bisogno di più potenza a causa della maggiore spinta, ma anche di più potenza a causa dell'aumento dei Watt per unità di spinta. Nota che anche "cheat elicottero" non funziona molto bene. Per abbinare il consumo di potenza del motore che genera meno spinta grazie alla L / D dell'ala è necessario migliorare anche il P / T - diminuendo $ \ Delta v $, aumentando così il flusso di massa (raggio del rotore / elica anche più che proporzionalmente all'aumento della spinta) .

  Che dire della diminuzione del P / T dovuta al movimento attraverso l'aria? Bene, dipende dal particolare motore e dal suo $ \ Delta v $. Sarà tipicamente in un ordine di grandezza simile alla velocità (o anche inferiore), quindi non possiamo trascurare $ v _ {\ rm in} $ nell'equazione dei watt per spinta sopra. C'è una penalità di efficienza quando il motore funziona su aeromobili in movimento. Ma dovrebbe comunque valerne la pena poiché il guadagno fornito dalla portanza è maggiore.

  Un esempio semplificato: abbiamo un motore in grado di produrre una spinta sufficiente per sollevare l'aereo verticalmente. Può essere limitato modificando $ \ Delta v $ senza problemi pratici o cambiamenti nella sua efficienza interna. E supponiamo che la portata di massa attraverso di essa sia un'area fissa $ S $ moltiplicata per la densità dell'aria e moltiplicata per la media aritmetica delle velocità di entrata e di uscita dell'aria. Per aeromobili in volo stazionario e motore fermo che producono una spinta pari al peso dell'aereo, $ w $ è $$ w = \ dot m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2/2 \ ,; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$ e quindi $$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ over 2 \ rho S} \,. $$

  Lo stesso aereo che vola sulle sue ali necessita solo di $ w \ over L / D $ di spinta. La velocità è $ v _ {\ rm air} $. Equazione per la spinta: $ {w \ over L / D} = \ dot m \ Delta v _ {\ rm flight} = \ rho S \ cdot (v _ {\ rm air} + {\ Delta v _ {\ rm flight} \ oltre 2}) \ cdot \ Delta v _ {\ rm flight} $. Quindi $$ \ Delta v _ {\ rm flight} = \ sqrt {{2w \ over (L / D) \ rho S} + v _ {\ rm air} ^ 2} -v _ {\ rm air} $$ e $$ P _ {\ rm flight} = {w \ over L / D} \ cdot (\ sqrt {{w \ over 2 (L / D) \ rho S} + {v _ {\ rm air} ^ 2 \ over 4}} + {v _ {\ rm air} \ over 2}) \,. $$

  Sfortunatamente, non vedo alcun modo per semplificare e confrontare $ P _ {\ rm hover} $ e $ P_ { \ rm flight} $ quindi alcuni numeri concreti:

  • Aerei leggeri, 1 tonnellata, 100 nodi, $ S = 5 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 290 \, \ rm kW $, $ P _ {\ rm flight} = 35 \, \ rm kW $.

  • Pesante aereo, 100 tonnellate, 200 nodi, $ S = 50 \, \ rm m ^ 2 $, $ L / D = 15 $: $ P _ {\ rm hover} = 90 \, \ rm MW $, $ P _ {\ rm volo} = 7 \, \ rm MW $.

  Quindi, sulla base di queste semplificazioni, volare con ali con un tipo simile di motore dovrebbe essere significativamente più efficiente anche in termini energetici. Inoltre, stai già andando avanti usando il potere $ P _ {\ rm flight} $. Per il motore verticale sarebbe necessaria una potenza extra per superare la resistenza dell'aria dovuta al movimento.

Per quanto riguarda il dispendio di energia e la potenza, per una data quantità di forza che deve essere prodotta accelerando una massa d'aria, è necessaria più potenza quando si accelera una piccola massa d'aria in ogni periodo di tempo rispetto a quando si accelera una grande massa d'aria. Questo perché la forza è proporzionale alla variazione della quantità di moto della massa d'aria, mentre la potenza è proporzionale alla variazione dell'energia cinetica; e mentre la quantità di moto è $ mv, $ l'energia cinetica è $ \ frac12 mv ^ 2. $

Il tipico motore di un aeroplano afferra particelle d'aria relativamente piccole e le spinge indietro ad alta velocità. Una grande elica, o un turbofan ad alto bypass con una grande aspirazione, andrà meglio di un'elica piccola o un turbogetto con una piccola aspirazione. Ma l'ala di un tipico aereo convenzionale "afferra" un molto più grande particelle d'aria durante qualsiasi unità di tempo rispetto ai suoi motori. Spingendo l'ala in avanti attraverso l'aria, l'aereo converte la produzione relativamente inefficiente di forza dai suoi motori (prendendo piccoli pacchetti d'aria dalla parte anteriore dell'aereo e accelerandoli rapidamente all'indietro ) nella produzione di forza molto più efficiente da parte delle sue ali (prendendo grandi particelle d'aria sopra l'aereo e accelerandole relativamente lentamente verso il basso).

Semplicemente ruotando il tipico motore (jet o elica) di un aereo convenzionale verso il basso non consentire all'aereo di accelerare verso il basso quasi la stessa quantità di aria che può fare l'ala quando l'aereo è in volo normale.

In un elicottero (noto anche come "velivolo ad ala rotante") il motore gira l'ala (noto anche come rotore), spingendolo così attraverso sia che la fusoliera si muova in avanti attraverso la massa d'aria o meno, un elicottero può quindi decollare verticalmente con un motore relativamente piccolo rispetto a quello che sarebbe necessario per decollare verticalmente con qualcosa di simile a un aereo ad ala fissa convenzionale Se si pensa al rotore di un elicottero come a una "ventola rivolta verso il basso", allora funziona effettivamente abbastanza bene.

In un aereo tradizionale, la maggior parte della potenza del motore viene utilizzata per far avanzare l'aereo a una certa velocità. In realtà è necessaria pochissima di quella potenza per creare portanza.

Considera un semplice aeroplano di carta. Vola a lungo senza motore, finché la resistenza su di esso non lo fa rallentare e se perde portanza e scende a terra.

Nelle mani di un pilota esperto, gli alianti possono rimanere in volo per ore senza motore.

Non entrerò nella discussione sul fatto che le ali funzionino dirigendo l'aria verso il basso o no perché è semplicemente irrilevante. La verità fondamentale è che, quando un'ala è orientata in modo da fornire portanza quando si sposta in avanti, tutto ciò che occorre al motore è guidare quell'ala e il resto dell'aereo in avanti a quella velocità.

L'ala e il corpo del velivolo creano un'efficace resistenza quando vengono tirati, o spinti, in avanti e il motore deve solo creare quella quantità di forza per non rallentare. Quella forza è MOLTO inferiore a quella necessaria per sollevarla direttamente.

La maggior parte dei motori degli aerei semplicemente non ha la forza di spinta per sollevare l'aereo da sola. Durante lo sviluppo iniziale dei velivoli furono fatti molti tentativi in ​​tal senso e fallirono perché semplicemente non erano disponibili motori di potenza sufficiente.

Le ali erano state molto tempo prima che arrivassero i fratelli Wright, ma il volo era imprevedibile e incontrollato. Il primo vero aereo è stato inventato perché i fratelli hanno scoperto e inventato un meccanismo per consentire loro di controllare le ali.

In breve, è molto più facile fornire portanza con le ali che usando il thrust vectoring.

TUTTAVIA: A questo punto probabilmente ti stai ancora grattando la testa chiedendomi come si possa sollevare un aereo senza effettivamente ottenere quella quantità di potenza dal motore ... Quindi lasciami provare a spiegare.

Supponiamo che tu abbia una macchina e io ti dico di sollevarla di 6 piedi ... Beh, a meno che tu non sia questo ragazzo non succederà ...

Ma cosa succede se fai quanto segue?

Bene, potresti lamentarti ed essere senza fiato, ma puoi vedere come, se la rampa fosse una pendenza abbastanza lunga, potresti usare i nostri muscoli per portare l'auto fino a quell'altezza.

Poiché siamo creature che si muovono lentamente, noi pensa all'aria come a niente. Tuttavia, l'aria diventa una cosa diversa quando cerchi di spostarla molto rapidamente. Diventa notevolmente "difficile".

Si può quindi pensare che un aereo in volo salga su una rampa aerea come mostrato di seguito.

L'aereo e le ali tagliano l'aria abbastanza facilmente, ma l'aria sotto le ali e il corpo agisce come una rampa. Più grandi sono le ali, più dura e solida è la rampa. Questo fornisce la portanza ... mantenendo l'aereo in alto.

Ovviamente la rampa non è solida e si abbassa efficacemente mentre spingiamo l'aereo in avanti. In altre parole, l'aereo sta cadendo e salendo allo stesso tempo. Quando in volo livellato, la rampa scende alla stessa velocità con cui l'aereo la sta salendo.

Ciò significa che le ali ti danno il vantaggio meccanico di utilizzare una rampa per ridurre la forza necessaria per eseguire il lavoro. Ignorando la resistenza, il lavoro richiesto è lo stesso come se lo avessi sollevato verticalmente, ma poiché distribuisci il lavoro su una lunga distanza in avanti, lo sforzo richiesto dal motore viene diviso in modo significativo.

Efficienza:

Ora è più efficiente? Ebbene, tradizionalmente le rampe e altri dispositivi di vantaggio meccanico sono meno efficienti di un sollevamento rettilineo perché ci sono perdite coinvolte nell'attrito extra nell'apparato.

Tuttavia, gli stessi sistemi di sollevamento basati sulla propulsione verticale sono orrendamente inefficienti.

Come abbiamo discusso, l'aria è più difficile da spostare quanto più velocemente provi a spostarla. Ciò significa che raddoppiare la potenza del motore NON si traduce in un raddoppio della spinta, è più una funzione esponenziale. Cioè, devi bruciare più del doppio del gas per ottenere il doppio della spinta.

Peggio, per un dato motore, c'è un limite alla spinta che può produrre. Alla fine l'aria cavita davanti ad essa. Se può girare abbastanza velocemente, aspirerà TUTTA l'aria dalla presa così velocemente che si forma un vuoto. A quel punto il motore è affamato di aria e non può andare più veloce indipendentemente da QUANTO carburante si pompa. Ciò significa che, per ottenere più spinta, è necessario un motore più grande, il che significa più peso, il che significa che è necessaria più spinta. .... Vedi dove sto andando con questo?

E ricorda, è solo per tenerti sveglio, devi ancora usare più energia per andare dal punto A al punto B.

Pertanto, anche con le perdite di resistenza, il volo alato utilizza ancora molto meno gas per una determinata distanza di viaggio.

Se ignoriamo le perdite, mantenere l'aereo a una data altitudine non richiede alimentazione , poiché non viene svolto alcun lavoro su di esso. Tuttavia, richiede una forza e sembra che tu confonda forza e potere. Il termine efficienza non ha alcun significato (almeno nessun significato ben definito) quando si parla di forze.

Ad esempio, posso tenere in mano un peso di 20 kg e Potevo sostenere 200 kg usando una leva 1:10. Certo, si può dire che la leva è 10 volte più efficiente, e in questo senso le ali sono più efficienti dei motori a decollo verticale: si può decollare con un motore che ha 10 volte meno spinta. Il corollario è che avrai bisogno di 10 volte più tempo per raggiungere una data altitudine, proprio come se solleverei un peso di 200 kg 10 volte più lentamente usando una leva di quanto ne solleverei con le mani un peso di 20 kg.

I motori (diciamo i motori a pistoni) non forniscono la portanza. I motori guidano le ali. Ogni pala di un'elica è un'ala. Ogni ala (della stessa dimensione, profilo alare, angolo di attacco, velocità relativa, altitudine) fornisce la stessa quantità di portanza.

Entrambi i dispositivi sottostanti forniscono la stessa portanza, uno vola dritto in avanti, l'altro vola in cerchio. Uno è un aereo, l'altro è un'elica. Puntare la spinta di un motore verso il basso = puntare la direzione di volo delle pale in orizzontale. Spero che questo aiuti.

Voglio solo aggiungere qualcosa che a mio parere è stato generalmente trascurato qui. All'aumentare della velocità specifica sull'ala / elica, la resistenza aumenta più che linearmente, la sua esponenziale. In altre parole, poiché il flusso d'aria (in massa) su un'ala è molto più alto, può produrre x quantità di portanza a una bassa velocità, mentre con un motore, poiché ha un flusso d'aria inferiore (di nuovo in massa) deve muoversi l'aria più veloce sopra le eliche nel motore per generare la stessa portanza. Poiché la resistenza non è lineare, è necessaria una potenza notevolmente maggiore per superare la resistenza del motore, che è ciò che causa le inefficienze.

Scorrendo le risposte, mi manca un approccio molto semplice per spiegare la differenza:
Elenco delle inefficienze per entrambe le soluzioni progettuali

Ala fissa

• resistenza che non produce sollevamento - Parte della resistenza non è correlata alla produzione di sollevamento, ad es. attrito dell'aria sulla superficie dell'ala.
• vortici dell'estremità dell'ala - La differenza di pressione tra sopra e sotto l'ala cerca di compensare un flusso d'aria dal basso verso l'alto. Questo può essere mitigato dalle alette e / o dalle proporzioni elevate dell'ala.
• qualsiasi cosa - Questo è un segnaposto per qualsiasi cosa, potrei essermi perso. Vedi sotto per la sua controparte.

Ala rotante

• resistenza non produttrice di portanza - Come il punto equivalente sopra, fatta eccezione per il diverso profilo alare, profilo alare e velocità variabili. Vedi sotto per maggiori informazioni sulla variazione delle velocità relative.
• vortici all'estremità dell'ala - Uguale al punto equivalente sopra, tranne la lunghezza dell'ala e quindi le proporzioni sono più limitate nella scelta del design. Le alette causerebbero molti problemi strutturali e aumenterebbero la resistenza in modo eccessivo, perché sono per definizione sulla punta (in rapido movimento).
• qualsiasi cosa - Fondamentalmente tutto ciò che si applica alle ali fisse si applica anche alle ali rotanti. Inoltre, spesso il flusso d'aria non uniforme (vedi sotto) non consente l'ottimizzazione del profilo alare, profilo alare, ecc.
• distribuzione non uniforme delle velocità dell'aria sulla pala - Le punte di un rotore si muovono nell'aria più velocemente della sua base. Pertanto è difficile ottenere contemporaneamente una velocità relativa ottimale ovunque sulla pala del rotore.
• velocità diverse per la pala precedente rispetto a quella che si allontana : la velocità di avanzamento del velivolo viene aggiunta alla velocità dell'aria sopra la lama precedente ma sottratta a quella sfuggente. Questa differenza si aggiunge al problema di ottenere un flusso d'aria ottimale.
• necessità di controcoppia : il rotore di coda nel design classico di un elicottero richiede potenza dal motore principale senza aumentare il sollevamento o la spinta in avanti. È fondamentalmente una "necessità inutile". I modelli a doppio rotore possono soffrire di un flusso d'aria sempre più "disturbato" (vedi sotto).
• movimento circolare - Il movimento circolare sta sostanzialmente accelerando verso il centro. "Volare dritto" sarebbe più efficiente, ad es. ci sono cuscinetti sul rotore che perdono il momento angolare. In confronto un'ala fissa non perde il suo slancio oltre alle altre inefficienze. Ciò pone anche requisiti strutturali sulle pale del rotore che possono limitare altre ottimizzazioni di progettazione.
• flusso d'aria disturbato - La pala precedentemente ritirata si muove attraverso la scia del precedente precedente nel giro successivo. L'aria disturbata non crea un flusso d'aria pulito come lo sarebbe indisturbato. Ciò riduce il rapporto portanza / resistenza.
• profilo alare non ottimizzato : più punti sopra lo menzionano già, rendendolo necessario (requisiti strutturali nel movimento circolare) o impedendo l'ottimizzazione (non distribuzione uniforme delle velocità dell'aria sulla lama).

Per tornare alla domanda iniziale:
come regola generale, possiamo presumere che più lungo è l'elenco delle inefficienze, meno efficiente è il progetto. Soprattutto quando tutto (e qualsiasi cosa ) in un elenco appare anche nell'altro. Dovrebbero esserci grandi differenze qualitative in ogni punto affinché la regola empirica venga violata.

Uno dei principali vantaggi di un'ala rispetto a un motore è che nell'uso tipico incontrerà costantemente aria relativamente indisturbata. Un motore puntato verso il basso creerebbe un'area di bassa pressione sopra di esso e l'aria che fluisce in esso si sposterà verso il basso anche prima che l'aereo possa farci qualcosa. L'unico modo in cui l'aereo può generare spinta sarà quello di accelerare l'aria già in movimento a una velocità ancora maggiore. La quantità di energia richiesta per accelerare un metro cubo d'aria da 9 m / sa 10 m / s è quasi il doppio della quantità necessaria per accelerare 10 metri cubi d'aria da 0 m / sa 1 m / s, ma la quantità di portanza generato da quest'ultimo sarà dieci volte maggiore.

Il modo in cui il volo "base" mi è sempre stato spiegato è che a causa della forma dell'ala, l'aria sopra le righe deve andare più lontano, quindi è "allungata" l'aria sotto l'ala ha meno distanza da percorrere. Quindi l'aria sotto l'ala ha più "pressione" rispetto all'ala. In nessun momento stai effettivamente "spingendo l'aria verso il basso". Almeno non esattamente. Il peso dell'imbarcazione fa sì che l'aria sotto l'ala "sbocci" (o si sposti) allo stesso modo di una barca, mentre non c'è forza (a parte la portanza) che spinge "verso l'alto" sull'ala.

Questa è tutta una spiegazione molto semplice. Ma la parte fondamentale, la parte molto molto importante è che in nessun aereo, ala fissa (aereo) o rotante (elicottero) è ALCUNA portanza generata spingendo l'aria verso il basso. La portanza è generata dalla minore pressione dell'aria "sopra" dell'ala rispetto a quella "sotto" l'ala quando combinata con la forza di gravità verso il basso. È la spinta verso il basso che in realtà fa salire gli aerei, per quanto strano possa sembrare.

Ora nella tua domanda vuoi sapere perché ci vuole meno energia per volare "come un aereo" e poi come "un elicottero". Ancora una volta, ricorda che spingere l'aria verso il basso non fa squat fino a quando non entri nei motori a razzo.

Per rispondere, diamo un'occhiata a ciò che ogni motore sta cercando di muovere. In un piccolo aereo il motore deve muovere un'elica. Diciamo circa 70 libbre. Con quel motore che gira 70 libbre di peso può "tirare" (più o meno allo stesso modo dell'ala) un piccolo aereo a circa 140 nodi. Questa è più che sufficiente "velocità" per far sì che le parti alate dell'aereo generino portanza. Tieni presente che "portanza" non deve essere questa forza enorme, deve essere solo un po 'più forte della gravità.

Al contrario, le "lame" di un elicottero (ci sono solo ali che ruotano circa) peso circa 250 libbre. È difficile convertire la velocità di rotazione in nodi, ma a 650 piedi / s sono circa 385 nodi (la matematica su questo è molto approssimativa)

Quindi, ci vuole molta meno energia per far avanzare un aereo a 140 nodi . Quindi fa girare un set di ali a 384 nodi.

Tieni presente che le ali di un aereo possono essere MOLTO più grandi delle ali di un elicottero. Quella superficie extra crea più portanza a velocità inferiori.

Per rendere tutto più complicato, tutta l'energia degli "aerei" viene utilizzata per far avanzare il velivolo. Questo è tutto. Un aereo va solo in una direzione. In realtà non girano tanto quanto "cadono" nella direzione prescritta (generando meno portanza su un lato o sull'altro lungo 3 assi). L'elicottero d'altra parte deve spendere parte della sua energia per muoversi "in avanti". Il suo movimento "in avanti" è fondamentalmente prescritto cadendo proprio come l'aereo, ma poi deve avere energia spesa per generare più portanza, mentre l'aereo si muove semplicemente in avanti.

TL; DR Non sono davvero mele per mele, ma ci vuole meno energia per generare la stessa portanza andando avanti, poi per girare le ali in cerchio e generare solleva in quel modo.

AVVISO IMPORTANTE Ho utilizzato le velocità e i profili di volo di molti aeromobili. L'aereo che ho usato era "un Cessna" ma ho preso dei numeri dove potevo trovarli quindi alcuni sono l'amatissimo 172 altri sono le altre varianti. I numeri degli elicotteri sono ancora più vari. Ho provato a mantenerlo su elicotteri più leggeri, ma forse non ci sono riuscito. La parte importante è che la teoria è giusta, ma non cercare di fare affidamento sulla matematica in alcun modo reale.

Un'altra nota che alcuni velivoli VTOL effettivamente spingono verso il basso, ma questo è ancora meno efficiente del far girare piccole ali. In breve, spingere verso il basso per salire è come un razzo, creare meno pressione sulla parte superiore e "fluttuare" verso l'alto è un aereo.

L'articolo fa una generalizzazione fuorviante, poiché è stata una delle prime cose che ho imparato durante l'addestramento al volo. Gli aeroplani non volano "gettando aria verso il basso", funzionano generando una pressione dell'aria ridotta che solleva l'aereo in alto (da qui, "portanza") e in avanti (spinta). Sia le ali che le eliche (e le turbine) sono profili alari la cui superficie curva superiore accelera l'aria mentre il profilo si muove attraverso di essa, riducendo così la pressione dell'aria. La pressione dell'aria relativamente ridotta sopra le ali e la pressione dell'aria relativamente maggiore sotto le ali e dietro l'elica fanno galleggiare l'aereo in alto e in avanti.

Un minimo di verità è che l'aria che scorre sopra l'ala viene deviata verso il basso, e un po 'd'aria viene compressa sotto l'ala mentre l'aereo si muove, ma è una componente molto più piccola di ciò che mantiene l'aereo in volo.

Una pressione dell'aria inferiore dietro l'ala produce resistenza ed è un sottoprodotto della portanza. Anche l'attrito superficiale delle superfici di sollevamento e del corpo dell'aereo sono componenti della resistenza. Un vortice generato all'estremità dell'ala quando i flussi d'aria a pressione più alta e più bassa convergono e si avvolgono a spirale l'uno intorno all'altro può anche essere una forte componente di resistenza, oltre a causare turbolenze che possono influenzare altri aeromobili. un'altra parte della tua domanda, la produzione di portanza e spinta segue gli stessi principi usando i tradizionali motori a pistoni e jet (i motori a razzo producono spinta espandendo i gas). Forse uno dei migliori esempi visibili è l'aereo a rotore inclinabile Osprey con grandi eliche in grado di produrre portanza, spinta e qualsiasi combinazione intermedia, a seconda dell'angolo dei motori.

L'analogia di @ ymb1 sulla spinta una scatola è stata una scelta eccellente. Muoversi perpendicolarmente alla gravità (cioè spostare l'ala in avanti) richiede meno forza rispetto al semplice opporsi ad essa (cioè spingere verso il basso). Quindi, le ali sono una scelta più efficiente, sia dal punto di vista strutturale che di complessità.

Torniamo indietro nel tempo per chiedere ai pionieri che tentano il volo a propulsione umana. Il design delle ali offriva efficienza rispetto ai progetti che si basavano sulla spinta verticale. Tale efficienza ha incoraggiato ulteriori ricerche.

La forza di portanza sviluppata da un'ala alla giusta velocità si basa sulla pressione. La pressione è anche responsabile della forza di sollevamento (galleggiabilità) nelle barche (pressione dell'acqua invece dell'aria). Puoi chiedere a un progettista di sottomarini di abbandonare i reattori e aggiungere eliche verso il basso per mantenere la profondità.

Sebbene sia un meccanismo diverso, una mongolfiera può dimostrare che sono necessarie diverse quantità di energia per produrre lo stesso ascensore utilizzando un diverso principio ingegneristico. Un piccolo motore a reazione può effettivamente essere utilizzato per generare abbastanza aria calda per sollevare il pallone con il carrello. Tuttavia, puntare il piccolo motore verso il basso non fornirà una spinta sufficiente per un sollevamento equivalente.

Non è un po 'come confrontare mele e arance? Non avendo forze esterne, le ali senza motore per guidarle fanno ben poco per farti volare.

Un motore può creare "portanza" puntandolo verso il basso. Per decollare il motore dovrebbe generare una spinta per contrastarne il peso. Se aggiungi le ali, puoi prendere il volo con molta meno spinta. Quindi le ali AUMENTANO l'efficienza di un motore quando si tratta di quanta spinta è necessaria per diventare in volo.

Aggiungendo a @Dmitry Gregoriev una risposta eccellente: potrebbe essere che la tua domanda si riduca a: perché un'ala fissa è più efficiente di un'ala a forma di disco.

A causa della teoria della linea di sollevamento. La creazione di una determinata quantità di portanza su un intervallo finito è tanto più efficiente quanto maggiore è l'intervallo.

Le ali sono un modo economico per accelerare una massa d'aria verso il basso. Il fatto che la selezione naturale abbia scelto quel sistema rispetto ad altre alternative forse significa che le ali sono la soluzione più economica ...