Por que você não pode ter aviões movidos a vela?
Assim, os barcos à vela pegam a energia cinética de um vento cruzado e a transformam em impulso usando suas velas como superfícies de elevação, e a discussão que tive na seção de comentários desta questão me fez imaginar por que ninguém jamais construiu qualquer vela (funcional) aviões movidos.
Basicamente, imagine um planador, mas com velas nele (talvez na parte superior e inferior da aeronave, para evitar desequilíbrios no centro do empuxo inclinando-o) para pegar o vento cruzado e fornecer empuxo para frente. Uma vez que esses veículos não existem, provavelmente há problemas com eles que os impediriam de funcionar.
Quais são esses problemas? A aerodinâmica das velas interfere com a aerodinâmica das asas ou algo assim? Mesmo que as velas não forneçam empuxo suficiente para tirar o avião do solo, isso não seria um problema para um planador que não consegue decolar sozinho, certo?
Respostas
Os veleiros de alto desempenho podem navegar mais rápido do que a velocidade do vento em certas condições. Portanto, sua pergunta não é tão absurda quanto pode parecer à primeira vista.
No entanto, a técnica que permite aos veleiros fazer isso não está disponível para os aviões, pelo menos não em vôo. Os veleiros usam a diferença de velocidade entre a água e o vento . Sua quilha os impede de serem soprados pelo vento. Um planador no ar não tem esse segundo meio para resistir a ser levado pelo vento.
Historicamente, o balão Andrée, usado para a exploração do Ártico em 1897, tentou "navegar" combinando velas e cordas. No entanto, isso não funcionou na prática.
A única maneira de extrair energia do vento é quando esse vento muda. Os gradientes de vento permitem que os albatrozes voem dinamicamente , e a alteração das correntes de ar pode ser explorada alterando o fator de carga .
Versão resumida de (agora) duas outras respostas: um veleiro precisa de uma vela em um meio e uma quilha em outro : uma lâmina na água, convencionalmente; cordas arrastando no chão; eletroímãs na parede de tempestade da Grande Mancha Vermelha de Júpiter, em uma história de ficção científica; rodas de reação em inércia, em uma vela solar.
Um pouco mais: precisa de duas coisas (aerofólio, "waterfoil", etc.) que exercem forças diferentes ou, pelo menos, torques. Quando uma força é devida ao fluido (gás ou líquido) passando por uma folha, a sustentação (em qualquer direção transversal à folha) é mais eficiente do que o arrasto.
Para um planador se mover para frente usando velas verticais, seria necessário fixá-lo ao solo de alguma forma, como se estivesse sobre trilhos, para fornecer a resistência lateral que permite que ocorra a força de reação entre o movimento lateral do ar e a vela vertical. Algo como um surfista de pipa. Substitua a pipa por um planador regular, com uma linha de corda indo do centro de gravidade do planador até a superfície de um lago e um elemento flutuante com a quilha necessária para resistir ao movimento lateral na parte inferior da linha de corda, e pronto . Você tem um planador que pode se mover movido exclusivamente por ventos laterais, desde que esteja ancorado na superfície. Até que você fique sem lago ...
Os planadores navegam como veleiros, apenas no plano vertical. A asa cumpre uma função dupla como elemento de apoio e como "vela". A vela de um veleiro dá um impulso para a frente do ar movendo-se lateralmente em seu caminho. A asa de um planador, em vôo nivelado, precisa de energia adicional do ar movendo-se verticalmente em seu caminho para permitir que se mova para frente sem descer ou subir. A gravidade é a fonte de energia até o ponto do ângulo de planeio de ar parado do planador; energia adicional para manter o vôo nivelado, ou para subir, vem do movimento vertical do ar.
O veleiro precisa de ventos laterais. O planador precisa de "ventos verticais". Sempre chamei o planador de "vela vertical" e, afinal, os planadores são chamados de "planadores".
Os veículos a vela não podem ser mais rápidos que o vento em que viajam (ao longo da direção do vento) e precisam de outro meio (solo ou água) que ofereça resistência.
Um avião, para estar em vôo, precisa se mover para frente em direção ao ar que o circunda e não pode entrar em contato com outro meio.
Os dois são mutualmente exclusivos.
Uma pergunta semelhante obteve uma resposta semelhante .
Para o estado estacionário, condição uniforme - ou seja, nenhuma mudança na velocidade do vento ao longo do tempo ou do espaço - podemos considerar um planador voando dentro de uma massa de ar em movimento vista de um referencial fixo ao solo, exatamente equivalente a um planador voar dentro de uma massa de ar estacionária (em relação ao solo) vista a partir de um referencial móvel. Não há como distinguir a física em jogo entre os dois casos.
Em outras palavras, em uma massa de ar que é uniforme no tempo e no espaço, se você não consegue ver o solo de fato, não há como saber para que lado o vento está soprando . Não há manobra que você possa fazer em que a aeronave responda de forma diferente ao voar contra o vento contra o vento contra o vento cruzado.
Se você estiver no solo olhando para um planador voando em uma massa de ar parada, será óbvio para você que colocar velas no planador não fará nada. Se o planador continuar a voar na mesma massa de ar, mas agora você estiver viajando em um avião passando e vendo o planador daquela perspectiva, você pensaria que colocar velas no planador agora resultaria em algo? Claro que não.
Esperar que as velas funcionem em um planador na presença de um vento constante e uniforme é como esperar que as velas funcionem enquanto você observa o planador do avião em movimento enquanto ele voa no ar parado.
Qualquer teoria que preveja que as forças atuando em uma aeronave são diferentes quando ela está voando contra o vento contra o vento contra o vento contra o vento cruzado - independentemente de a aeronave ter "velas" especiais ou não - está selecionando o solo como um referencial privilegiado . Isso viola o princípio da invariância de Galileu .
Um veleiro é completamente diferente de um planador (planador). Um planador voa dentro da massa de ar . Um movimento constante e uniforme da massa de ar não pode exercer nenhuma força sobre o planador. (Isso se aplica aos movimentos verticais da massa de ar, bem como aos movimentos horizontais da massa de ar.) Um veleiro existe na fronteira entre dois fluidos diferentes - a água e o ar - então o movimento de um fluido em relação ao outro pode e exerce força sobre o veleiro.
Houve uma tentativa de "navegar" um balão sem motor em uma direção diferente da direção do vento , mas essa tentativa envolveu cordas sendo arrastadas no solo, de modo que o balão não poderia mais ser visto como estando "em repouso" dentro do massa de ar. Um equivalente seria um planador subindo em um comprimento fixo de cabo amarrado ao solo em uma das extremidades, o que certamente é possível em um dia de vento.
E então temos o soaring dinâmico , que é uma "bola de cera" completamente diferente, explorando linhas de cisalhamento, gradientes de vento, os limites de correntes ascendentes e descendentes térmicas 1 e outras variações espaciais ou temporais na massa de ar.
Notas de rodapé:
- Links relacionados à extração de energia dos limites entre as correntes descendentes e o ar parado por meio de técnicas de "ascensão dinâmica":
https://journals.sfu.ca/ts/index.php/ts/article/view/296
https://www.semanticscholar.org/paper/CALCULATIONS-ON-SOARING-SINK-Kiceniuk/94e63d06de60110c05916a5c4fed1a2197dd8245
https://journals.sfu.ca/ts/index.php/ts/article/view/298
Já existem algumas ótimas respostas aqui, e normalmente desaprovo as respostas do tipo "eu também", mas como tenho sido crítico em relação à pergunta, gostaria de oferecer uma comparação muito simples e prática que possa facilitar aquele tipo de clareza "aha" em caso ainda não tenha acontecido ...
Imagine duas coisas em sua mente:
- O primeiro é uma roda d'água antiquada ligada a um moinho construído ao longo de um rio.
- O segundo é um barco do rio Mississippi antiquado, com rodas de popa.
No primeiro, a roda d'água é passiva. Ele extrai energia cinética do rio para fazer o trabalho. Ele aproveita o poder da água em movimento para girar uma pedra de amolar. (ou gerador elétrico, ou correia que aciona máquinas ...)
A roda de popa do barco, no entanto, está ativa. Funcionalmente pode parecer semelhante, mas requer um motor, uma fonte de energia, energia externa aplicada a ele para fazê-lo girar e, assim, executar o trabalho. Sem energia aplicada à roda, ela simplesmente flutua ao longo do rio da mesma forma que o barco. Se o motor parar, o barco está morto na água.
Perguntar por que adicionar uma vela passiva a um avião não o impulsionaria para frente é como perguntar por que você não poderia simplesmente colocar um hélice ou roda na água e esperar que ele vá embora. Nenhuma explicação avançada de engenharia ou aeroespacial é necessária para entender por que isso não funcionaria!
E, novamente, de acordo com meus comentários, não pretendo isso como um insulto. A pergunta é razoável, e eu apaguei ao ver coisas óbvias antes, até que algo mudou minha perspectiva e a resposta óbvia entrou em foco. Às vezes, tudo o que é necessário é um ponto de vista diferente.
Eu espero que isso ajude.