Un aereo in salita ha bisogno di meno portanza aerodinamica rispetto al volo orizzontale, non di più.

Ora ho la tua attenzione, spero. Il motivo è abbastanza semplice:

La portanza è uguale al peso e, proprio perché il pilota sceglie un angolo di traiettoria di volo diverso, il peso dell'aereo non cambia. Il totale di tutte le forze di sollevamento deve comunque bilanciare il peso, ma in salita si ottiene un piccolo contributo di sollevamento dal motore (i) perché la sua (loro) spinta sarà rivolta verso l'alto proprio come il resto della cellula.

Non lasciarti confondere dalle tante frecce e lettere greche. Per essere in equilibrio, portanza (L, blu scuro), trascinamento (D, rosso), spinta (T, verde) e peso (m⋅g, nero) devono sommarsi in modo tale da poter essere combinati in una serie chiusa di vettori . L'ho fatto con i vettori di colore più chiaro attorno al peso. Poiché la traiettoria di volo punta verso l'alto, così fa la spinta che ora ha una piccola componente verticale. Il vettore di portanza può essere un po 'più corto ora.

Considera il caso estremo di salita verticale: ora tutta la spinta sostiene il peso e la portanza aerodinamica non è più necessaria.

Esiste un secondo, effetto molto più sottile: quando si sale, l'aria si assottiglia e le prestazioni del motore diminuiscono proporzionalmente. Alla stessa velocità dell'aria indicata, l'aereo diminuirà continuamente la sua velocità di salita e questa decelerazione libera una piccola forza inerziale, che di nuovo aumenta la portanza e contrasta il peso.

Al contrario, all'inizio di una salita fase l'aereo deve creare momentaneamente più portanza per accelerare se stesso verso l'alto. Solo allora, quando la velocità di salita aumenta, la portanza deve essere maggiore del peso per vincere l'effetto inerziale che in questo momento lavora verso il basso. Per i supernerd: se si integra il deficit di portanza nel tempo dell'effetto di cui sopra e la portanza extra nel tempo per l'accelerazione in salita, entrambi si annullano esattamente.

Per rispondere direttamente alla tua domanda: per arrampicarti devi aumentare l'energia in eccesso, non la velocità. Ciò viene normalmente fatto aumentando la potenza del motore o regolando il trim dell'aereo a una velocità inferiore dove la resistenza è minore, quindi rimane più potenza per la salita. Questa domanda contiene ulteriori dettagli su come far salire un aereo. Nota in particolare l'analogia del secchio di @ SteveV.

Se usi l'energia cinetica dell'aereo come fonte di spinta, lo stesso meccanismo può essere applicato alle salite stazionarie, dove la velocità viene scambiata per l'altitudine, come negli alianti .

L'assetto a testa in su è semplicemente il risultato di una diversa traiettoria di volo. Poiché la portanza aerodinamica richiesta sarà quasi la stessa, anche l'angolo di attacco sarà quasi lo stesso e l'intero velivolo dovrà volare in alto. È simile a un'auto che ha lo stesso atteggiamento verso la strada, ma quando guidi in salita, sia l'auto che la strada saranno inclinate verso l'alto.

Questa analogia si interrompe quando cambi velocità, volando a velocità più bassa ha bisogno di un angolo di attacco maggiore per creare comunque la stessa portanza e questo cambio di prua verrà aggiunto all'angolo di assetto.

Considera il flusso d'aria relativo. Quando un aeroplano non sta salendo, il flusso d'aria relativo è orizzontale, quindi l'angolo al quale l'aria incontra le ali, cioè l'angolo di attacco, viene misurato dall'orizzonte (Caso A nel diagramma). Tuttavia, quando un aereo sta salendo, il vento relativo è inclinato verso il basso dalla componente di salita della velocità dell'aereo. Se l'aereo non inclina il muso verso l'alto, l'angolo di attacco si avvicina allo zero all'aumentare della velocità di salita, riducendo la portanza e l'efficienza (Caso B), quindi l'aereo deve inclinare il muso verso l'alto per mantenere l'angolo di attacco in una gamma efficiente (Caso C). !

Sebbene la risposta di @Peter Kämpf sia tutta vera e corretta, penso che manchi un punto e non risponda realmente alla domanda principale dell'OP.

È giusto che fondamentalmente un aeroplano ha bisogno di accelerare per salire?

Sì, è fondamentalmente corretto. Una velocità orizzontale più alta produce più portanza, quindi farà salire l'aereo. https: //www.grc.nasa.gov/www/k-12/WindTunnel/Activities/lift_formula.html

Ma non è l'unico modo per far salire un aereo. L'aumento del beccheggio (dando anche più spinta) è l'altro ed è stato spiegato da Peter.

Quale è più efficiente? Un aereo è progettato per un'efficienza ottimale a velocità di crociera e volo livellato. Quindi potresti voler mantenere la tua velocità entro un intervallo ristretto intorno a quell'ottimale. Aumentare la velocità aumenterà anche la resistenza (al quadrato di v) vedi https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/drageq.html Il trascinamento è quello che vuoi assolutamente minimizzare perché è l'energia che viene completamente persa (trasformata in calore).

Questo è il motivo per cui aumentare il pitch / AoA, mantenendo la velocità costante è il modo migliore per farlo. In questo modo la resistenza rimane più o meno la stessa. Ovviamente devi ancora fornire più spinta (quindi energia), poiché ora parte della tua spinta è diretta verso il basso (e parte della tua portanza all'indietro), ma stai convertendo questa energia più direttamente in quota, eliminando la perdita di resistenza. / p>

Quindi, per rispondere alla tua domanda, sì, è possibile arrampicare in un rigoroso atteggiamento orizzontale aumentando la velocità, ma è più efficiente dal punto di vista energetico salire aumentando il passo. (La spinta viene aumentata in entrambe le direzioni)

Puoi rispondere a questa domanda empiricamente.

Regola il tuo aereo per un volo rettilineo e livellato e imposta la potenza su Vy. Guarda l'IA o l'orizzonte visivo e nota l'atteggiamento del tono.

Ora imposta la potenza sulla sua impostazione di salita Vy e configura il velivolo (palla, flap del cappuccio, miscela, elica, ecc.) per la configurazione di salita, ma non ritrarre l'ascensore . Regola gli alettoni per mantenere il volo diritto.

L'aereo si solleverà da solo nel suo atteggiamento di salita Vy.

Penso che tu debba considerare il tipo di aereo qui! Se sono un nuovo pilota di F-22 con un rapporto peso / spinta odioso che cerca di intercettare alcuni cattivi e ho bisogno di raggiungere rapidamente l'altitudine, puoi scommettere che alzerò il naso e andrò come un razzo.

Ma in realtà, è tutta una questione di vettori di velocità. Se vuoi salire, allora sali! I motori si muovono in direzione del naso. (A meno che tu non sia quel pilota di F-22 di prima). Considera anche che gli aerei hanno limiti di velocità sotto determinate altitudini e considera anche che il vecchio Bernoulli non è l'unica ragione per cui gli aerei volano, il signor Newton ha qualcosa da dire anche su questo.

Perché la maggior parte della portanza proviene dall'angolo di attacco (AoA) delle ali. Un AoA più alto significa più portanza (fino a un certo punto).

Inoltre, la maggior parte dei velivoli si alzerà man mano che aumentano la velocità a causa del design.

Come regola generale e senza una lunga spiegazione tecnica di come e perché ecco una semplice risposta che mio figlio di 8 anni potrebbe afferrare. In volo rettilineo e livellato, se si riduce la potenza senza alterare l'assetto del velivolo, il velivolo scenderà, viceversa se si aumenta la potenza del velivolo salirà. Ora lo stesso velivolo senza alterare le sue impostazioni di potenza se si altera il suo assetto alzando il muso rallenterà quindi con le stesse impostazioni di potenza abbassando il muso l'aereo aumenterà la sua velocità. Quindi la tua regola pratica è "la potenza è uguale all'altezza" e "l'atteggiamento è uguale alla velocità". Vai a prendere una lezione di volo e provalo, e capirai cosa intendo.

Normalmente su un aereo cambi la tua altitudine usando la potenza. Se aumenti la potenza, la tua altitudine aumenta. Se si riduce la potenza, il velivolo scende. In entrambi i casi l'aereo si trova normalmente ad un angolo di beccheggio vicino al livello.

La ragione di questo comportamento è che l'ala è permanentemente inclinata verso l'alto di una certa quantità, chiamata "angolo della corda" o "angolo di incidenza". L'angolo è scelto in modo che in condizioni normali, con potenza media, l'aereo rimanga alla stessa quota. Se le ali fossero piatte, l'aereo tenderebbe a scendere costantemente.

La principale eccezione a quanto sopra è quando si sta decollando e si desidera guadagnare quota rapidamente per motivi di sicurezza. In questo caso, lo stick o il giogo vengono tirati indietro e l'aereo si inclina verso l'alto e sale rapidamente. Ciò che causa questo è l'elevatore (o stabilizzatore orizzontale) che si trova sulla coda dell'aereo:

L'elevatore consente al pilota di cambiare il passo delle ali . Maggiore è la superficie alare esposta all'aria, maggiore è la forza verso l'alto. Puoi dimostrarlo tu stesso tenendo la mano fuori dal finestrino di un'auto in rapido movimento. Se tieni la mano a livello e poi inclini il bordo d'attacco verso l'alto, la tua mano sarà spinta verso l'alto dal vento e viceversa. Se inclini il bordo anteriore della mano verso il basso, la tua mano sarà spinta verso il basso dal vento. La stessa cosa accade a un aereo.

Il pilota sceglie un percorso di volo diverso. Questa nuova traiettoria di volo sta salendo in altitudine e da ciò sta cambiando l'energia potenziale. massa * gravità * 9,81 * delta Hight. Dobbiamo volare più lentamente con una resistenza minore e usare l'energia extra per salire o dobbiamo aumentare la potenza del propulsore per superare il cambiamento di energia potenziale. Quando l'altitudine sta cambiando dobbiamo anche aumentare la velocità a causa della minore densità dell'aria. La minore densità dell'aria influisce sulla portanza e sulla fiducia che l'elica può offrire per un dato RPM

Possiamo calcolare la fiducia esaminando i vettori di forza Sollevamento e Peso. Quando l'aereo cambia rotta, il vettore di portanza e il vettore di peso che erano nella direzione opposta si trovano in un percorso di salita che lavora sotto un piccolo angelo, la velocità di salita. Per contrastare il peso dobbiamo aumentare la portanza dalla portanza r1 alla portanza r2. Ma il risultato è anche un vettore di trascinamento r1. Questo vettore di trascinamento viene aggiunto al trascinamento in volo livellato. In conclusione possiamo dire che dobbiamo aumentare la fiducia per superare la resistenza aggiuntiva e dobbiamo aumentare la portanza per contrastare il peso.

una maggiore elevazione porta a un aumento di altitudine

Ecco dove sei andato fuori strada per la prima volta. La portanza è in realtà inferiore al peso in una salita lineare sostenuta. La cosa fondamentale che rende possibile una salita sostenuta in condizioni stazionarie è che il vettore di spinta punta verso l'alto anziché orizzontalmente , il che è vero solo quando spinta è maggiore di Drag . Torneremo su questo punto più avanti in questa risposta.

Ma perché gli aeroplani si arrampicano "puntando il muso verso l'alto" ?

Indipendentemente dal fatto che scegliamo di 1) salire con un angolo di attacco alto (ma costante) e una velocità relativa inferiore, o 2) accelerare a una velocità relativa più alta e salire a una velocità bassa (ma costante), l'aereo sarà un po 'alto nella salita perché la traiettoria di volo è diretta verso l'alto e l' assetto di beccheggio della fusoliera è la somma di l ' angolo di salita della traiettoria di volo più l' angolo di attacco dell'ala meno angle-of-incidence (cioè l '"angolo di manovra" dell'ala rispetto alla fusoliera).

Un terzo modo per salire sarebbe quello di mantenere lo stesso atteggiamento di beccheggio che aveva l'aereo in volo livellato (quota costante), ma questo sarebbe limitare l'angolo di incidenza in modo che rimanga molto basso: maggiore è il tasso di salita e più ripido è il percorso di salita, minore sarà l'angolo di incidenza. Questo non è il tipo di ciclo di feedback che porta a un elevato rateo di salita!

Per capire perché, nella situazione artificiale in cui l'assetto di beccheggio dell'aereo è vincolato a essere fisso, l'angolo del percorso di salita influisce sull'angolo di attacco dell'ala, devi capire che il flusso d'aria o " vento relativo "percepito da un aereo in volo è esattamente opposto nella direzione del percorso dell'aereo attraverso la massa d'aria, che in questo caso è il percorso della salita. (Per semplicità stiamo assumendo assenza di vento o corrente ascensionale / discendente - queste cose possono cambiare l'angolo di salita raggiunto rispetto al suolo senza cambiare il "vento relativo" avvertito dall'aereo, ma non è proprio di questo che si trattava.) Capire che il vento relativo "sentito" da un aeroplano è sempre esattamente opposto alla traiettoria di volo dell'aereo attraverso la massa d'aria, è una delle cose più importanti per capire come vola un aeroplano.

Pertanto, anche in un aereo con un angolo di incidenza insolitamente alto come il B-52, l'aereo sarà a prua in una ripida salita.

In teoria un aereo anche un aereo con angolo di incidenza zero potrebbe generare portanza con la fusoliera esattamente orizzontale. Se la traiettoria di volo salisse leggermente, l'ala volerebbe con un angolo di attacco leggermente negativo, ma un profilo alare incurvato può ancora creare portanza in una situazione del genere. Ma l'aereo genererebbe un rapporto molto più elevato tra portanza e resistenza se l'ala fosse a un angolo di attacco più alto. Anche se la portanza è inferiore al peso in una salita, un rapporto elevato tra portanza e resistenza è comunque correlato a un angolo di salita ripido. Consulta questa risposta ASE correlata per scoprire il motivo: Solleva lo stesso peso in salita?

I rapporti L / D più elevati vengono generati ad angoli di attacco relativamente alti. Quindi questo è quando vedremo la salita più ripida angle . La velocità di salita più alta arriva con un angolo di incidenza leggermente inferiore, ma il muso dell'aereo sarà comunque ben inclinato sopra l'orizzonte, per il semplice fatto che il assetto di beccheggio della fusoliera è la somma dell ' angolo di salita della traiettoria di volo più angolo di attacco dell'ala meno l ' angolo di incidenza dell'ala rispetto alla fusoliera.

È giusto che fondamentalmente un aeroplano debba solo accelerare per salire?

No, per una salita lineare in stato stazionario a una velocità relativa costante, il velivolo deve anche creare più spinta che resistenza e deve anche puntare il vettore di spinta verso l'alto .

A questo punto dobbiamo rivisitare il paragrafo che inizia con "Un terzo modo per salire sarebbe mantenere lo stesso atteggiamento di beccheggio che aveva l'aereo in livella volo (quota costante) ". In realtà c'è un altro problema qui oltre al fatto che costringeremmo l'ala a volare con un angolo di attacco molto basso, dove il rapporto L / D è scarso. L'altro problema è che il vettore Thrust rimane orizzontale, e quindi è possibile una salita sostenuta in condizioni stazionarie.

(Naturalmente, possiamo scalare con lo zoom o persino eseguire il loop di una vela senza spinta. In loop o zoom salire il requisito per un poligono vettoriale vicino di portanza, peso, resistenza e spinta (se presente) svanisce, quindi i vincoli sono completamente diversi rispetto a una salita sostenuta in condizioni stazionarie.)

Considera il caso di un aereo come il B-52. L'ala è montata con un alto angolo di incidenza rispetto alla fusoliera per accogliere il design del carrello di atterraggio "da bicicletta" consentendo un decollo senza rotazione e per ridurre la resistenza nel volo di crociera a lungo raggio. Anche con il livello della fusoliera relativo al flusso d'aria, l'ala ha un angolo di attacco efficiente, con un rapporto L / D elevato. Se l'aereo sta creando più portanza del suo peso, significa che si è stabilizzato in una salita stazionaria? No, significa che la traiettoria di volo si curva o si piega verso l'alto, provocando il beccheggio del velivolo verso l'alto, che dà al vettore di spinta una componente verso l'alto . A questo punto la portanza diminuirà leggermente fino a un valore che è più piccolo del peso mentre l'aereo si assesta in una salita in stato stazionario con spinta maggiore di trascinamento, il muso rivolto in alto orizzonte, e il vettore di spinta che puntano verso l'alto e aiutano a sostenere parte del peso del velivolo.

Nota che quando cambiamo l'angolo di incidenza dell'ala e cambia il rapporto tra coefficiente di portanza e coefficiente di resistenza aerodinamica, per angoli di salita o discesa da poco profondi a moderati, la velocità relativa alla fine risponde in modo tale che la portanza rimanga effettivamente quasi costante, mentre la resistenza varia notevolmente. Il motivo per cui scegliamo un angolo di attacco ottimale per l'arrampicata non è in realtà per massimizzare la portanza, ma piuttosto per ridurre al minimo la resistenza e quindi massimizzare il rapporto tra spinta e resistenza. Ma indipendentemente dal fatto che abbiamo scelto un angolo di attacco che produce un rapporto L / D alto o un rapporto L / D basso, se il vettore Thrust punta orizzontalmente anziché verso l'alto, allora non siamo t arrampicata - almeno non per più di un breve istante. (Ne parleremo più avanti!)

Ancora una volta, per ulteriori informazioni sulla relazione tra spinta, resistenza, sollevamento e peso in una salita, vedere la relativa risposta ASE Solleva lo stesso peso in una salita?

Una nota di chiusura: una situazione esotica che non è caratteristica del normale volo libero (il che significa che l'aereo non è collegato da un cavo di rimorchio a un altro veicolo che fornisce la forza di spinta) è stata discussa in questa domanda e risposta ASE correlate. La situazione coinvolge un'ala che scorre su e giù su un palo fissato a un carrello. In questo caso, anche se il vettore di spinta può essere interpretato come orizzontale, l'ala può effettivamente salire lentamente sul palo mantenendo un assetto di beccheggio costante e livellato, ma il suo angolo di attacco rispetto al flusso d'aria sarà ridotto durante la salita la velocità aumenta, causando un effetto autolimitante sulla velocità di salita, come discusso nella presente risposta.

E ora una nota di chiusura alla nota di chiusura - in precedenza, abbiamo affermato " se il vettore Thrust punta orizzontalmente anziché verso l'alto, non stiamo salendo . " Abbiamo anche notato che un aliante può essere girato senza Thrust. Un aereo motorizzato può anche essere "scalato con lo zoom" anche se la spinta è inferiore alla resistenza, ma la velocità diminuirà. Nota che durante la "salita dello zoom", la linea di spinta è ancora solitamente rivolta verso l'alto.

Possiamo inventare un caso davvero artificioso in cui "scaliamo con lo zoom" senza alzarci affatto? Sì, possiamo ... ma la salita sarà molto breve. Ad esempio, diciamo che stiamo uscendo da un ciclo. Diciamo che stiamo "tirando" i 4G - il vettore Portanza è quattro volte il Peso dell'aereo. Appena prima di raggiungere un assetto di beccheggio orizzontale, la velocità all'aria diminuirà tipicamente, il che significa che la resistenza è maggiore della spinta. Mentre continuiamo a tirare su, ci sarà un istante nel tempo in cui l'assetto di beccheggio è esattamente orizzontale, ma la portanza è ancora molto maggiore del peso. In quell'istante, se allentiamo la contropressione e spostiamo lo stick in avanti quanto necessario per congelare esattamente l'assetto di beccheggio del velivolo , la traiettoria di volo continuerà continuare a curvare verso l'alto per un brevissimo intervallo di tempo , fino a quando la curva verso l'alto della traiettoria di volo diminuisce l'angolo di attacco dell'ala al punto in cui il vettore Portanza è uguale al vettore Peso , o più precisamente, il punto in cui il vettore Portanza è uguale alla componente del vettore Peso che agisce perpendicolare alla traiettoria di volo. In quell'istante l'accelerazione centripeta è zero. L'accelerazione lineare non può essere zero - mentre continuiamo a mantenere costante l'assetto di beccheggio della fusoliera, la velocità relativa diminuirà e quindi la traiettoria di volo si curverà di nuovo verso il basso finché non sarà esattamente orizzontale. Quando il vettore di spinta è esattamente orizzontale, il volo in stato stazionario è possibile solo in direzione orizzontale, non in direzione verso l'alto o verso il basso. Dal punto di vista del pilota, cosa è successo è che abbiamo raggiunto un assetto di beccheggio livellato e quindi abbiamo "scaricato" piuttosto rapidamente l'ala quasi alla condizione di 1-G e siamo passati al volo approssimativamente orizzontale. Il fatto che l'aereo si sia arrampicato molto brevemente con la fusoliera esattamente a livello sarebbe probabilmente impossibile da rilevare senza una strumentazione speciale. Ma sì, tecnicamente, è possibile ottenere un brevissimo intervallo di volo in salita con il vettore di spinta che rimane esattamente orizzontale , e in effetti qualcosa di simile a questo accade quasi ogni volta si passa da un'immersione ad un assetto di beccheggio orizzontale, a meno che in qualche modo non riusciamo a controllare il throttle in modo tale che la velocità rimanga esattamente costante durante la parte finale del pull-out.

A questo punto dovrebbe essere chiaro al lettore che questo brevissimo intervallo di volo in arrampicata con un assetto di passo orizzontale fisso, non è la dinamica che vediamo durante qualsiasi salita in condizioni stazionarie.

Queste risposte sono così ricche di storia e teoria sull'Aviation Stack Exchange che meritano una nuova visita, soprattutto per i piloti GA azionati da eliche. Primo:

Perché gli aeroplani alzano il muso per salire?

Troviamo che questo non sia sempre vero.

L'ascensore un aereo produce dipende dalla velocità e angolo di attacco. Per un velivolo staticamente stabile, sia in planata che a motore, il trim dell'elevatore controlla la velocità relativa . L'aggiunta di spinta inizialmente accelera l'aereo, ma lo stesso meccanismo di regolazione della velocità inclinerà il muso verso l'alto fino a ristabilire la velocità di trim , mantenendo anche l'AOA.

Gli aerei che non sono staticamente stabili accelereranno con una spinta aggiunta e non "sollevano il naso" a meno che non siano comandati dall'ascensore.

La portanza è minore che peso in salita?

Meglio continuare a usare quella vela. In una salita di 45 gradi, il 70% del vettore Lift è ancora verticale. Il restante 30% deve essere costituito dal vettore di spinta verticale. Il vettore della forza di sollevamento dell'ala è 4 volte maggiore del vettore di spinta e non cambia di grandezza se viene mantenuta la velocità relativa .

Il vettore verticale di spinta compensa la perdita di portanza verticale dell'ala?

Non ad angoli di salita inferiori. Ciò che cambia è la quantità di contropressione richiesta sul giogo per mantenere l'AOA durante l'accelerazione verso l'alto, a causa della forza aggiuntiva verso il basso sullo stabilizzatore orizzontale. Questo è transitorio fino a quando il beccheggio non raggiunge un punto in cui la forza netta verso l'alto è uguale a peso e resistenza verticale e l'accelerazione verso l'alto si arresta.

Tuttavia, negli aerei con prestazioni più elevate , un aumento eccessivo della spinta può aumentare la probabilità di un "overshoot" del lancio, davvero un loop fallito e una potenza in stallo.

Come in una virata inclinata, l'accelerazione aumenta la forza laterale sulla coda. In beccheggio, l'accelerazione verso l'alto rallenta all'aumentare del beccheggio perché l'elica non è efficiente come l'ala in portanza.

Quindi, aggiungiamo spinta per salire, ci sono davvero 2 scelte, salire con l'ala o salire con l'elica, o un terzo ... sali con entrambi . Questo è Vy!

Gli aerei sollevano il muso in salita per controllare la velocità a piena potenza , utilizzando sia la spinta che l'ala per salire con la minima resistenza e la massima spinta possibile.

Secondo Wikipedia e quello che ricordo dai miei primi giorni di addestramento come pilota privato:

Relazione tra angolo di attacco e portanza [modifica] Una tipica curva del coefficiente di portanza. di un velivolo ad ala fissa varia con l'angolo di attacco. L'aumento dell'angolo di attacco è associato all'aumento del coefficiente di portanza fino al coefficiente di portanza massimo, dopodiché il coefficiente di portanza diminuisce.

All'aumentare dell'angolo di attacco, aumenta anche la portanza. Il superamento dell'angolo di attacco critico illustra ulteriormente questo punto.