Física: 2 aviones, ambos los mismos motores. Si 1 está alto en el cielo y el otro bajo, ¿cuál irá más rápido?

Su pregunta depende de una variable clave: la densidad del aire. El avión a bajo nivel estará en un entorno de mayor densidad que el de mayor altitud.

Suponiendo que la propulsión proviene de una hélice o de una turbina de gas, el motor desarrollará menos empuje a mayor altitud porque el caudal másico de aire a través de la hélice o la turbina será menor. Sin embargo, esto se compensa con la resistencia: el avión de mayor altitud tendrá menos resistencia que el de baja altitud.

Si bien los detalles se determinarán por la forma exacta y el rendimiento de la aeronave y los motores, es probable que domine la resistencia, y la aeronave a gran altitud será más rápida. Si observa los aviones comerciales, se prefiere la altitud porque es más eficiente y reduce el consumo de combustible. En su pregunta, estamos arreglando efectivamente el consumo de combustible a medida que estipula que los motores giren a la misma velocidad, dejando la velocidad del avión como variable. El uso de ideas ásperas y listas puede colocar el avión a gran altitud como más rápido para un consumo de combustible determinado.

En la práctica, hay variables tanto para el arrastre como para los motores. Por ejemplo, variar las superficies aerodinámicas del avión y variar el paso de una hélice: el paso grueso significa que moverá más aire para una velocidad de rotación dada. Algunos motores de turbina de gas tienen ángulos variables de estatores o paletas de guía de entrada internamente que actúan de manera similar a la variación del paso de una hélice.

No es posible dar una respuesta definitiva, debido a la variabilidad de los motores y la forma aerodinámica de los aviones, y exactamente qué tan alto o bajo colocas tu ejemplo.

Quizás este gráfico sobre el empuje del motor pueda ayudar.

Esa curva roja para arrastrar es simplemente para referencia, no es el arrastre real. Difiere para cada plano. Así son las curvas de poder. Son solo aproximados.

Tenga en cuenta que el hecho de que haya más resistencia a mayor velocidad no significa que los aviones no vuelen todo el viaje a mayor velocidad. Por lo general lo hacen.

Los aiiners están limitados a velocidades inferiores a 350 nudos en la atmósfera inferior, pero vuelan a 500 o 600 por encima de 30,000 pies. Pero, el indicador puede leer solo 1/3 de 500 o 600 a una altitud tan alta, debido a la disminución de la densidad del aire. Todavía está haciendo los 500 o 600 por el aire.

Un avión de tipo engjne único Cessna / Piper volará a 80, 90, 100 o hasta 150 nudos a 8,000 o 10,000 o más pies. Pero, el Piper en el que tomo lecciones tiene la menor resistencia a 72 nudos (que es donde practicamos aterrizajes de emergencia de motorización).

Entonces, olvídate del ahorro de combustible. Solo les importa el tiempo. Al igual que tu pregunta.

Esa curva roja probablemente responde a tu pregunta. Generalmente hay un valor óptimo en física, que se encuentra entre un mínimo y un máximo. Obviamente, cuanto más alto vaya, menos empuje tendrá y menos levantamiento obtendrá, por lo que necesitará más inclinación y / o más velocidad para mantenerse en el aire. Pero a medida que cae la potencia, ya no puedes mantener el tono o la velocidad para luchar contra la resistencia.

Mismo trato con bajas altitudes. Demasiado aire para ir rápido, demasiada resistencia. Mucha potencia, pero no suficiente para la velocidad máxima.

La altitud óptima está en algún punto intermedio.

Excepto el turborreactor. ¿Te das cuenta de que recibe más empuje a mayores altitudes? Eso podría explicar por qué vuelan tan rápido y tan alto.

La respuesta, por supuesto, es “depende”. Incluso antes de eliminar cualquier influencia de los diferentes vientos en contra / viento de cola a diferentes altitudes, y el efecto del tiempo dedicado a subir / descender, algunas aeronaves tienen motores que funcionan mejor a menor altitud … por ejemplo, motores de pistón de aspiración normal … y algunos aviones son más eficientes en altura altitudes (y todo esto simplifica demasiado la cosa). Entonces, ¿qué avión / motor quieres saber?

Así que hay un par de cosas a considerar …

Pero, primero, declararé lo que no estoy considerando:

1. No consideraré ninguna limitación regulatoria, como el control del tráfico aéreo o las regulaciones federales de aviación, esas podrían proporcionar diferentes ventajas dependiendo de cuál elija aplicar.
2. No consideraré el efecto del viento a diferentes altitudes. En la vida real tendrían un efecto dramático, y el avión al que ayudaron dependería de muchos más factores.

Velocidad de crucero

Comencemos con la velocidad de vuelo nivelada y supongamos que ambos cruzaron algún punto de partida al mismo tiempo, pero a diferentes altitudes.

Comenzando a nivel del mar, los aviones propulsados ​​por motores de pistón tienden a ir más rápido (por encima del suelo) a medida que aumentan para un determinado nivel de potencia del motor, hasta una cierta altitud, después de lo cual comienzan a disminuir la velocidad. Esa “altitud específica” depende de si el motor está sobrealimentado o no. Si no, esa altitud está en el área de 8-10,000 pies sobre el nivel del mar. Si está sobrealimentado (de una forma u otra) o una turbina (que está sobrealimentada a su manera), puede ser mucho más alto, dependiendo del tipo de sobrealimentador (por ejemplo, un turbocompresor accionado por escape, un sobrealimentador accionado por motor, alguna combinación de los dos).

Tampoco voy a entrar en detalles por qué es esto. La versión de $ 0.02 es que a medida que el avión sube, el motor puede producir una potencia de crucero constante (algo entre el 55% y el 75% de la potencia máxima del motor) hasta una cierta altitud mientras se incurre en una resistencia al viento decreciente (aire más delgado a mayor altitud) = menos resistencia). Entonces el avión va más rápido.

Después de cierto punto, el motor ya no puede producir la misma potencia que podría en altitudes más bajas, por lo que a medida que el avión continúa subiendo, la potencia del motor se reduce más rápido que la resistencia del viento, lo que hace que el avión vuele más lento.

Por lo tanto, si el avión más alto está en o debajo de su altitud óptima, estará navegando más rápido que el avión más bajo. Si el avión más alto está por encima de su altitud óptima, es difícil decir con certeza si va más rápido; dependería exactamente de la altitud a la que volaba y de cómo fue su rendimiento a esa altitud.

Pero esa es solo una parte de la pregunta.

Tiempo de bloque a bloque

El despegue al tiempo de aterrizaje es más difícil de especular ya que requiere números específicos. Depende, por ejemplo, de qué tan alto tenga que subir el avión más alto para alcanzar su altitud óptima, a qué velocidad subirá, cuánto durará el viaje y qué tan rápido puede descender a tierra. Sin embargo, apostaría a que, en la mayoría de los casos, la ventaja aún iría al plano superior a menos que el curso fuera de menos de un par de horas. En menos de una o dos horas, el tiempo dedicado a llegar a la altitud óptima consumiría la mayor parte del vuelo y anularía cualquier ventaja al volar allí.

Para citar a Cameron Fraser, “depende”, si los motores son normalmente aspirados, o si están sobrealimentados, o sobrealimentados en etapas múltiples, o sobrealimentación de etapas múltiples con intercooling, o sobrealimentación de desplazamiento positivo, o sobrealimentación centrífuga, o si el motor es turbo -supercargado, o si está turboalimentado e intercooler, también si el turbo está reforzado en el suelo o está turbo normalizado (con o sin intercooling).

Todas esas variaciones de motor afectan el rendimiento del avión con respecto a la altitud.

Una mayor altitud resulta en una menor resistencia aerodinámica, también resulta en una potencia del motor potencialmente menor. Todos los diversos tipos de impulso pueden ofrecer ganancias de velocidad y ascenso en altitudes más altas, pero no necesariamente ganancias obtenidas. Cada combinación de fuselaje y motor tiene un “punto óptimo” en el que proporciona la mejor velocidad o rango, o incluso la mejor velocidad y rango.

También depende de la humedad relativa atmosférica, la temperatura y si su avión tiene o no una hélice de paso fijo o una hélice de velocidad constante, o incluso si está volando una antigüedad, una hélice de paso variable no gobernada.

Un montón de “depende”

Elige uno y trataré de darte una respuesta que tenga sentido para ti.

Si se refiere a la velocidad relativa al suelo, y todas las demás cosas son iguales (velocidad del aire, viento, etc.), la más baja tendrá una velocidad de avance más alta, ya que el camino que recorre tiene una longitud de arco más corta concéntrica a la superficie de la Tierra . Sin embargo, el efecto es insignificante ya que el radio de la Tierra es muy, muy grande en comparación con la altitud de cualquiera de los aviones.

El que está más arriba iría más rápido, ya que estoy seguro de que sabes que el aire a mayor altitud es mucho menos denso, por lo que al avión le resultará más fácil volar por el aire, ya que una menor resistencia al aire significa que se genera menos fricción. Por lo tanto, volará más rápido que el plano inferior porque irá más lento porque está volando a través de algo que es más grueso y causa más fricción entre el aire y el avión.