De bocht om met een vliegtuig - Eindexamen Na VWO 2017

[robj]

In het eindexamen natuurkunde VWO van dit jaar (2017, tijdvak 1) stond een opgave over een vliegtuig dat eerst horizontaal vliegt met constante snelheid en daarna - als enige verandering door de piloot - naar één kant gaat 'overhellen'. Bedoeld wordt, dat het horizontale vlak van het vliegtuig een hoek maakt met de horizon (de zg 'bank angle'). In de opgave helt het vliegtuig met de wijzers van de klok mee. De opgave stelt dat er vervolgens twee dingen met het vliegtuig gebeuren: (1) het maakt een bocht en (2) het verliest hoogte. In vraag 7 moet de kandidaat beide verschijnselen uitleggen.
 
Volgens mij is de informatie in deze opgave onjuist. Als een piloot een dergelijke manoeuvre uitvoert, dwz waarbij vanuit een rechtdoor-vlucht als enige (!) wijziging de 'bank angle' van nul naar X graden vergroot wordt (dmv de ailerons), wordt er geen bocht gemaakt, maar zal het vliegtuig met een ongewijzigde kompasstand ('heading') naar rechts afglijden (als van een zeephelling). De neus blijft dan dus steeds in dezelfde richting wijzen. Tevens verliest het vliegtuig hoogte.
Voor het maken van een bocht is volgens mij meer nodig, niet alleen gebruik van de ailerons zoals in de eindexamenopgave, maar ook van het staartroer, die de heading laat veranderen en een echte bocht mogelijk maakt. Als de piloot in de bocht geen hoogte wil verliezen, zal hij (of zij) het vliegtuig ook een beetje moeten 'optrekken' (stuurknuppel iets naar zich toe moeten halen).
 
Ik ben geen piloot, maar wel erg benieuwd of de betreffende eindexamenopgave inderdaad onjuist is.
 
Ter verduidelijking in de bijlage het plaatje dat bij de opgave hoort.
 

[shimmy]

De opgave klopt. Als bank wordt aangerold maakt het vliegtuig een bocht als gevolg van de horizontale lift component. Als niet gecorrigeerd wordt met pitch neemt de verticale liftcomponent af en zal het vliegtuig dalen.

Bij het vliegen van een bocht wordt vaak een beetje rudder gegeven. Dit is niet voor het maken van de bocht zelf maar omdat de het vliegtuig anders een klein beetje slipt hetgeen extra luchtweerstand betekend (parasitair). Een bocht waarbij deze slip "weg getrapt" wordt noem je een gecoördineerde bocht en is in pricipe de ideale situatie.

Het is mogelijk om een bocht te maken met alleen het voetenroer. Dit is echter veel minder effectief dan een bocht middels rol. Het is goed mogelijk om een bocht te maken met alleen rol.

[Benm]

Ik denk dat ze het niet te moeilijk willen maken met dit soort opgaves, ongeacht wat in de praktijk beter werkt. 
 
Mits het een kleine sturing is zal het in de praktijk ook wel werken, voor een scherpere bocht zal het in combinatie met staart- en hoogteroer moeten. Als je domweg het rolroer maximaal 1 kant op duwt en houdt dan is het resultaat een fatale spiraalduik voor zover het vliegtuig je dat toelaat. 

[robj]

Dank voor de uitleg. Inderdaad heeft men de opgave niet te ingewikkeld willen maken.
Toch ben ik nog niet helemaal overtuigd, omdat naar mijn idee een zijwaartse kracht, in dit geval de horizontale component van de scheefstaande F_lift, niet automatisch tot een middelpuntzoekende kracht (F_mpz) leidt die nodig is voor de cirkelbeweging. De F_mpz moet bij een ideale cirkelbeweging namelijk ook steeds naar hetzelfde punt wijzen (middelpunt vd cirkelbaan) en dat kan alleen als de heading van het vliegtuig 'meedraait' (romp vliegtuig steeds raaklijn aan de cirkel).
In de praktijk zul je misschien alleen met rolroer een bocht kunnen maken (uiteraard rolroer niet maximaal houden maar als je bankt weer terugcorrigeren), maar is dat dan niet omdat je door het 'afglijden' een zijwind van rechts krijgt, die tegen het kielvlak/richtingsroer drukt en die daardoor de heading van het vliegtuig met de bocht mee laat draaien?
 
 

[shimmy]

Nee hoor. Meer is er echt niet voor nodig. Rollen geeft een horizontale liftcomponent, resulteerd in een bocht.

Vliegen is een dynamisch iets. Vrijwel elke handeling kent meerdere neveneffecten maar daar gaat deze vraag simpelweg niet over. Alles wat er staat klopt. Misschien willen ze het niet ingewikkelder maken, maar in dit geval is het dat ook niet.

[robj]

Nee hoor. Meer is er echt niet voor nodig. Rollen geeft een horizontale liftcomponent, resulteerd in een bocht.

 
Dat rollen een horizontale liftcomponent geeft, spreek ik niet tegen, oftewel helemaal mee eens. Waarom resulteert dat dan in een bocht en niet in een schuin afglijdende beweging naar rechts (vanaf achteren gezien in dit voorbeeld). Anders gesteld: wat is er dan nodig om wel een schuin afglijdende beweging te maken? Ik vermoed een beetje richtingsroer... Of kan dat niet?
 
PS: Ik weet dat ik eigenwijs ben, maar ik doe dat niet om vervelend te doen . Ben alleen nog niet overtuigd van mijn ongelijk...

[shimmy]

Dan hebben we het niet meer over vwo na maar over praktijk vliegen.

Als je alleen een beetje richtingsroer geeft gaat het vliegtuig initieel ook gewoon een bocht draaien. Als neveneffect zal de buitenste vleugel meer lift leveren dan de binneste (betere aanstroming) waardoor het vliegtuig ook gaat rollen. Deze manier van aanrollen wordt gebruikt bij snelheden dich bij overtreksnelheid om overtrek van 1 vleugel te voorkomen.

Je kunt natuurlijk de rol (die als neveneffect ontstaat) opheffen met je ailerons. Dan maak je een bocht zonder rol (met heel veel extra weerstand). Geef je dan nog meer aileron de verkeerde kant op kan je de koersverandering ook nog opheffen. Je bent dan aan het slippen. DIt is de situatie die jij omschrijft. Hij wordt onderandere (in omgekeerde vorm) toegepast bij zijwindlandingen (je koers en heading zijn het zelfde, ondanks zijwind).

[robj]

En zo heb ik dit weekend toch weer het een en ander geleerd. Dank!

[Benm]

Ik weet niet zo goed waar ze met dit soort opgaven naar toe willen. 
 
Natuurlijk kun je met een aeleron een bocht maken, maar of dat vanuit simpele natuurkunde de meest logische optie is betwijfel ik... waarom niet gewoon rudder gebruiken?
 
Praktisch gezien maak je de bocht met een rolroel wel, maar dat is feitelijk vooral gevolg van lift/drag veranderingen in de vleugels als gevolg daarvan. Het is een beetje alsof je een schip probeert te sturen zonder het roer te gebruiken, maar alle opvarenden naar 1 kant te verplaatsen. Ook dat werkt, maar als je het al the enthousiast doet kapseist het schip. Een vliegtuig zou je in theorie ondersteboven kunnen krijgen met alleen rolroer, al denk ik dat dat weinig realistisch is voor een verkeersvliegtuig (maar prima haalbaar voor een stuntvliegtuig of straaljager). 

[shimmy]

Natuurlijk kun je met een aeleron een bocht maken, maar of dat vanuit simpele natuurkunde de meest logische optie is betwijfel ik... waarom niet gewoon rudder gebruiken?

 

Buiten dat het me niet de bedoeling lijkt om examenvragen zo ver buiten de realiteit van de praktijk te trekken denk ik niet dat de meeste examenkandidaten zich realiseren dat je met het rudder ook rol aan kunt sturen (net zo min als dat je met je ailerons ook yaw initieert).

Verder vermeld de vraagsteller eigenlijk helemaal niet in de initiele post hoe het vliegtuig in de rolpositie is gekomen. Wij gaan uit van ailerons omdat dat het meest logische is:-)

Dat je zelfs met alleen je voetenstuur een Boeing 737 op zijn dak kunt rollen demonstreerde een japanse copiloot toen hij per ongeluk de ruddertrim verstelknop gebruikte in plaats van de cockpitdoor unlock knop.

https://www.flightglobal.com/news/articles/video-ana-737-rolled-near-inverted-after-rudder-trim-blunder-362687/

[Benm]

Nu je het zegt staat inderdaad niet in de opgave hoe het zo gekomen was - het gebruik van rolroeren was/is een (logische) aanname van de vraagsteller zie ik nu. 
 
Wat die 737 betreft: dat is eigenlijk best bizar, maar ergens lijkt me dat dit hele gebeuren niet uitsluitend gevolg is geweest van een fout in rudder trim aanpassen, maar ook van (foutieve) handelingen om te compenseren voor de gevolgen ervan. Vliegen wil ik het overigens niet echt noemen, als je in een halve minuut 2 km hoogte verliest dan vlieg je ongeveer even 'goed' als een baksteen met een lintje erom . 

[shimmy]

Wat die 737 betreft: dat is eigenlijk best bizar, maar ergens lijkt me dat dit hele gebeuren niet uitsluitend gevolg is geweest van een fout in rudder trim aanpassen, maar ook van (foutieve) handelingen om te compenseren voor de gevolgen ervan.

Uit mijn hoofd: Captain klopt op deur. Co kijkt op camera scherm (ergens beneden bij zijn knie). Ziet captain en draaid met zijn blik op schermpje gericht aan de verkeerde knop. Knop moet je vast blijven houden tot je ziet dat de deur wordt open geduwt maar omdat de captain het lampje naast de deur maar niet groen ziet worden duwt hij niet. Ondertussen loopt het rudder steeds verder weg. Dit voel je amper omdat automatische piloot koers wil houden en dus tegen stuurt met yoke. Co nog steeds neus naar beneden. Automaat vertrouwd het niet meer dus valt er af (met sirene) en dan rolt het vliegtuig dus ineens snel om. Co kijkt van schrik op. Heeft ineens de besturing in zijn handen met meer dan 90 graden bank, maar belangrijker nog, nog steeds een trim helemaal in de hoek. Hij weet daarna redelijk snel te recovere.

[Benm]

Feitelijk nog een geluk dat dit op kruishoogte gebeurde. 
 
Ergens ben ik wel benieuwd of de passagiers de boel niet bij elkaar schreeuwden. Gezien het utc tijdstip zal het in japan donker zijn geweest op dat moment, maar 90 graden draaien lijkt me nogal beangstigend op dit soort vluchten, zeker als het ver van een landing of departure is. 
 
Wel een aardig voorbeeld van waarom je die stoelriemen beter om kunt houden, ongeacht of het lampje brandt of niet