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PPL - 02 - Aircraft Systems

Table of Contents - Tabla de Contenido

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  1. Reciprocating Engines

 

Most small airplanes are powered by reciprocating (“recip”) engines made up, in part, of cylinders, pistons, connecting rods and a crankshaft. The pistons move back and forth within the cylinders. Connecting rods connect the pistons to the crankshaft, which converts the back and forth movements of the pistons to a rotary motion. It is this rotary motion which drives the propeller.

One cycle of the engine consists of two revolutions of the crankshaft. These two crankshaft revolutions require four strokes of the piston; namely, the intake, compression, power, and exhaust strokes.

The top end of the cylinder houses an intake valve, an exhaust valve, and two spark plugs.

During the intake stroke, the intake valve is open and the piston moves away from the top of the cylinder and draws in an air/fuel mixture (Fig 01A).

At the completion of the intake stroke, the intake valve closes and the piston returns to the top of the cylinder and compresses the air/fuel mixture (Fig 01B).

When the piston reaches a precise point near the top of its stroke, the spark plugs ignite the compressed mixture and the rapid expansion of the burning mixture forces the piston downward (Fig 01C).

As the piston completes the downward movement of the power stroke, the exhaust valve opens and the piston rises to the top of the cylinder. This exhaust stroke forces out the burned gases and completes one cycle of the engine (Fig 1D).

Because of the many moving parts in a reciprocating engine, as soon as the engine is started, power should be set to the RPM recommended for engine warm-up and the engine gauges checked for the desired indications.

Should it be necessary to start the engine by “hand propping,” it is extremely important that a competent pilot be at the controls in the cockpit. In addition, the person turning the propeller should be thoroughly familiar with the procedure.

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2. Ignition and Electrical Systems

 

Most reciprocating engines used to power small aircraft incorporate two separate magneto ignition systems.

A magneto (“mag”) is a self-contained source of electrical energy, so even if an aircraft loses total electrical power, the engine will continue to run. (Fig 02).

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When checking for magneto operation prior to flight, the engine should run smoothly when operating with the magneto selector set on “BOTH,” and should experience a slight drop in revolutions per minute (RPM) when running on only one or the other magneto.

The main advantages of the dual ignition system are increased safety and improved engine performance(Fig 03).

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3. Fuel Induction Systems

 

Most light airplane engines use either a carburetor (Fig 04) or a fuel injection system (Fig 05) to deliver an air/fuel mixture to the cylinders. 

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Carburetors are normally set to deliver the correct air/fuel mixture at sea level. Since air density decreases with altitude, a mixture control allows the pilot to decrease the fuel flow as altitude increases and thus maintain the correct mixture. Otherwise the mixture may become too “rich” at high altitudes.

When descending, air density increases. Unless fuel flow is increased, the mixture may become excessively “lean” i.e., the amount of fuel is too small for the amount of air reaching the cylinders.

 

Modern 4-stroke engines may automatically adjust the mixture control. Two-stroke engines typically require main jet changes for operations at different altitudes.

In a fuel injection system the fuel and air are mixed just prior to entering the combustion chamber. No carburetor is used.

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4. Carburetor Ice

 

As air flows through a carburetor it expands rapidly. At the same time, fuel forced into the airstream is vaporized. Expansion of the air and vaporization of the fuel causes a sudden cooling of the mixture which may cause ice to form inside the carburetor. The possibility of icing should always be considered when operating in conditions where the temperature is between -7°C (20°F) and 21°C (70°F), and the relative humidity is high(Fig 07).

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Carburetor heat preheats the air before it enters the carburetor and either prevents carburetor ice from forming or melts any ice which may have formed. When carburetor heat is applied, the heated air that enters the carburetor is less dense. This causes the fuel/air mixture to become enriched, and this in turn decreases engine output and increases engine operating temperatures.

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During engine runup prior to departure from a high-altitude airport, the pilot may notice a slight engine roughness which is not affected by the magneto check, but grows worse during the carburetor heat check. In this case, the air/fuel mixture may be too rich due to the lower air density at the high altitude, and applying carburetor heat decreases the air density even more. A leaner setting of the mixture control may correct this problem.

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In an airplane with a fixed-pitch propeller, the first indication of carburetor ice would likely be a decrease in RPM as the air supply is choked off. Application of carburetor heat will decrease air density, causing the RPM to drop even lower. Then, as the carburetor ice melts, the RPM will rise gradually.

Fuel injection systems do not utilize a carburetor and are generally considered to be less susceptible to icing than carburetor systems are.

5. Aviation Fuel

 

Fuel does two things for the engine; it acts both as an agent for combustion and as an agent for cooling (based on the mixture setting of the engine).

Aviation fuel is available in several grades. The proper grade for a specific engine will be listed in the aircraft flight manual. If the proper grade of fuel is not available, it is possible to use the next higher grade. A lower grade of fuel should never be used.

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The use of low-grade fuel or an air/fuel mixture which is too lean may cause detonation, which is the uncontrolled spontaneous explosion of the mixture in the cylinder. Detonation produces extreme heat.

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Preignition is the premature burning of the air/fuel mixture. It is caused by an incandescent area (such as a carbon or lead deposit heated to a red hot glow) which serves as an ignitor in advance of normal ignition.

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Fuel can be contaminated by water and/or dirt. The air inside the aircraft fuel tanks can cool at night, and this cooling forms water droplets (through condensation) on the insides of the fuel tanks. These droplets then fall into the fuel. To avoid this problem, always fill the tanks completely when parking overnight.

Thoroughly drain all of the aircraft’s sumps, drains, and strainers before a flight to get rid of all the water that might have collected.

Dirt can get into the fuel if refueling equipment is poorly maintained or if the refueling operation is sloppy. Use care when refueling an aircraft.

Two fuel pump systems are used on most airplanes. The main pump system is engine driven and an auxiliary electric driven pump is provided for use in the event the engine pump fails.

 

The auxiliary pump, commonly known as the “boost pump,” provides added reliability to the fuel system, and is also used as an aid in engine starting. The electric auxiliary pump is controlled by a switch in the cockpit.

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6. Engine Temperatures

 

Engine lubricating oil not only prevents direct metal-to-metal contact of moving parts, it also absorbs and dissipates some of the engine heat produced by internal combustion. If the engine oil level should fall too low, an abnormally high engine oil temperature indication may result.

On the ground or in the air, excessively high engine temperatures can cause excessive oil consumption, loss of power, and possible permanent internal engine damage.

If the engine oil temperature and cylinder head temperature gauges have exceeded their normal operating range, or if the pilot suspects that the engine (with a fixed-pitch propeller) is detonating during climb-out, the pilot may have been operating with either too much power and the mixture set too lean, using fuel of too low a grade, or operating the engine with an insufficient amount of oil in it. Reducing the rate of climb and increasing airspeed, enriching the fuel mixture, or retarding the throttle will aid in cooling an engine that is overheating.

The most important rule to remember in the event of a power failure after becoming airborne is to maintain safe airspeed.

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7. Propellers

A propeller provides thrust to propel the airplane through the air. Fig 17.

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Some aircraft are equipped with a fixed pitch propeller Fig 18.

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Some aircraft are equipped with a constant-speed propeller. This type of propeller allows the pilot to select the most efficient propeller blade angle for each phase of flight. In these aircraft, the throttle controls the power output as registered on the manifold pressure gauge, and the propeller control regulates the engine RPM.

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A pilot should avoid a high manifold pressure setting with low RPM on engines equipped with a constant-speed propeller. To avoid high manifold pressure combined with low RPM, reduce the manifold pressure before reducing RPM when decreasing power settings (or increase the RPM before increasing the manifold pressure when increasing power settings).

8. Torque

 

An airplane of standard configuration has an insistent tendency to turn to the left. This tendency is called torque, and is a combination of four forces: reactive force, spiraling slipstream, gyroscopic precession, and P-factor.

Reactive force is based on Newton’s Law of action and reaction. A propeller rotating in a clockwise direction (as seen from the rear) produces a force which tends to roll the airplane in a counterclockwise direction. Fig 20.

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The spiraling slipstream is the reaction of the air to a rotating propeller. (The propeller forces the air to spiral in a clockwise direction around the fuselage.) This spiraling slipstream strikes the airplane’s vertical stabilizer on the left side. This pushes the tail of the airplane to the right and the nose of the airplane to the left. Fig 21. Weight-shift control and powered parachutes do not have this effect.

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Gyroscopic precession is the result of a deflective force applied to a rotating body (such as a propeller). The resultant action occurs 90° later in the direction of rotation. Fig 22.

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Asymmetric propeller loading, called P-factor, is caused by the downward moving blade on the right side of the propeller having a higher angle of attack, a greater action and reaction, and therefore a higher thrust than the upward moving opposite blade. This results in a tendency for the aircraft to yaw to the left around the vertical axis. Additional left-turning tendency from torque will be greatest when the aircraft is operating at low airspeed with a high power setting.

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9. Preflight Inspection Procedures

 

A thorough preflight inspection should be performed on an aircraft to help ensure that the aircraft is prepared for safe flight and should be a thorough and systematic means by which the pilot determines the airplane is ready for safe flight. Prior to every flight, a pilot should at least perform a walk-around inspection of the aircraft.

After an aircraft has been stored for an extended period of time, a special check should be made during preflight for damage or obstructions caused by animals, birds, or insects.

The use of a written checklist for preflight inspection and starting the engine is recommended to ensure that all necessary items are checked in a logical sequence.

Although 14 CFR Part 91 places primary responsibility on the owner or operator for maintaining an aircraft in an airworthy condition, the pilot-in-command is responsible for determining whether that aircraft is in condition for safe flight.

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  1. Motores Reciprocos

 

La mayoría de los aviones pequeños funcionan con motores alternativos reciprocating engines compuestos, en parte, por cilindros cylinders, pistones pistons, bielas connecting rods y un cigüeñal crankshaft.

 

Los pistones pistons se mueven hacia adelante y hacia atrás dentro de los cilindros cylinders. Las bielas onnecting rods conectan los pistones al cigüeñal crankshaft, que convierte los movimientos hacia adelante y hacia atrás de los pistones en un movimiento giratorio. Es este movimiento giratorio el que impulsa la hélice propeller.

 

Un ciclo del motor consta de dos revoluciones del crankshaft. Estas dos revoluciones del crankshaft requieren cuatro carreras four strokes del piston; a saber, las carreras de admisión intake, compresión compression, potencia power y escape exhaust.

 

El extremo superior del cylinder alberga una válvula de admisión intake valve, una válvula de escape exhaust valve y dos bujías spark plugs.

 

Durante la carrera de admisión intake, la válvula de admisión intake valve se abre y el piston se aleja de la parte superior del cylinder y aspira una mezcla de aire / combustible air/fuel mixture (Figura 01A).

 

Al completar la carrera de intake, la intake valve se cierra y el piston regresa a la parte superior del cylinder y comprime la air/fuel mixture (Fig. 01B).

 

Cuando el piston alcanza un punto preciso cerca de la parte superior de su carrera, las bujías spark plugs encienden la mixture comprimida y la rápida expansión de la mixture en combustión empuja al piston hacia abajo (Fig. 01C).

 

A medida que el piston completa el movimiento descendente de la carrera de potencia power stroke, la válvula de escape exhaust valve se abre y el piston sube hasta la parte superior del cylinder exhaust carrera de escape stroke expulsa los gases quemados y completa un ciclo del motor (Fig. 1D).

 

Debido a las muchas partes móviles en un reciprocating engine, tan pronto como se enciende el motor, la potencia power debe ajustarse a las RPM recomendadas para el calentamiento warm-up del engine y los indicadores del motor engine gauges deben revisarse para las indicaciones deseadas.

 

En caso de que sea necesario arrancar start el engine “manualmente hand propping,”, es extremadamente importante que un piloto competente esté en los controles de la cabina. Además, la persona que hace girar la hélice debe estar completamente familiarizada con el procedimiento.

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2. Sistemas Eléctrico y de Ignición

 

La mayoría de los reciprocating engine utilizados para propulsar aviones pequeños incorporan dos sistemas de encendido por magneto separados. Un magneto ("mag") es una fuente autónoma de energía eléctrica, por lo que incluso si un avión pierde energía eléctrica total, el engine seguirá funcionando. (Figura 02).

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Al verificar el funcionamiento del magneto antes del vuelo, el engine debe funcionar sin problemas cuando se opera con el selector de magneto en "AMBOS BOTH", y debe experimentar una ligera caída slight drop en las revoluciones por minuto (RPM) cuando funciona solo con uno u otro magneto.

 

Las principales ventajas del sistema de encendido dual son una mayor seguridad y un mejor rendimiento del motor. (Figura 03).

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3. Sistema de Inducción de Combustible

 

La mayoría de los motores de aviones ligeros utilizan un carburetor (Fig. 04) o un sistema de inyección de combustible fuel injection system (Fig. 05) para suministrar una mezcla de aire / combustible air/fuel mixture a los cylinders.

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Los carburetors normalmente están configurados para entregar la mezcla correcta de aire / combustible air/fuel mixture al nivel del mar sea level. Dado que la air density disminuye con la altitud, un control de mezcla mixture control  permite al piloto disminuir el flujo de combustible fuel flow a medida que aumenta la altitud y así mantener la mezcla correcta. De lo contrario, la mezcla puede volverse demasiado "rica rich" ​​a grandes altitudes.

 

Al descender, aumenta la air density. A menos que se aumente el fuel flow, la mixture puede volverse excesivamente "pobre lean", es decir, la cantidad de combustible es demasiado pequeña para la cantidad de aire que llega a los cylinders.

 

Los motores modernos de 4 tiempos 4-stroke engines pueden ajustar automáticamente el mixture control. Los motores de dos tiempos 2-stroke engines generalmente requieren cambios de flujo principal para operaciones a diferentes altitudes.

 

En un sistema de inyección de combustible fuel injection system, el combustible y el aire se mezclan justo antes de ingresar a la cámara de combustión combustion chamber. No se utiliza carburetor.

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4. Hielo en el Carburador

 

A medida que el aire fluye a través de un carburetor, se expande rápidamente. Al mismo tiempo, se vaporiza el combustible forzado a la corriente de aire. La expansión del aire y la vaporización del combustible provocan un enfriamiento repentino de la mezcla que puede hacer que se forme hielo dentro del carburador Carburetor Ice. Siempre se debe considerar la posibilidad de formación de hielo cuando se opera en condiciones donde la temperatura está entre -7°C (20°F) and 21°C (70°F), y la humedad relativa es alta. (Figura 07).

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El calentador del carburador Carburetor heat precalienta el aire antes de que entre en el carburetor y evita que se forme hielo ice en el carburetor o derrite el hielo que pueda haberse formado. Cuando se aplica carburetor heat, el aire caliente que ingresa al carburetor es menos denso. Esto hace que la fuel/air mixture se enriquezca enriched, lo que a su vez disminuye la potencia del motor y aumenta las temperaturas de funcionamiento del motor.

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Durante el arranque del motor engine runup antes de la salida de un aeropuerto de gran altitud, el piloto puede notar una ligera aspereza roughness del funcionamiento del motor que no se ve afectada por el control del magneto, pero que empeora cuando se aplica carburetor heat. En este caso, la air/fuel mixture puede ser demasiado rica rich debido a la menor densidad del aire lower air density a gran altitud high altitude, y la aplicación de carburetor heat disminuye aún más la air density. Un ajuste de mezcla mas pobre leaner setting of the mixture puede corregir este problema.

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En un avión con una hélice de paso fijo fixed-pitch propeller, la primera indicación de carburetor ice probablemente sería una disminución en las RPM a medida que se corta el suministro de aire. La aplicación de carburetor heat disminuirá la air density, lo que hará que las RPM bajen aún más. Luego, a medida que el carburetor ice se derrita, las RPM aumentarán gradualmente. Los fuel injection systems no utilizan un carburador y generalmente se considera que son menos susceptibles a la formación de hielo que los sistemas de carburador.

5. Combustible de Aviación

 

El Fuel hace dos cosas por el engine; actúa como agente de combustión y como agente de refrigeración cooling  (según el mixture setting of the engine).

 

El Aviation fuel está disponible en varios grados. El grado adecuado para un engine específico se enumerará en el manual de vuelo de la aeronave aircraft flight manual. Si no se dispone del tipo de fuel adecuado, es posible utilizar el siguiente grado superior. Nunca se debe utilizar un combustible de menor grado.

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El uso de combustible de baja calidad low-grade fuel o una air/fuel mixture demasiado pobre lean puede provocar la detonación detonation, que es la explosión espontánea incontrolada de la mixture en el cylinder. Detonation produce calor extremo.

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Preignition  es la combustión prematura de la air/fuel mixture. Es causada por un área incandescente (como un depósito de carbón o plomo calentado a un resplandor al rojo vivo) que sirve como un encendedor antes de la ignición normal.

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Fuel puede estar contaminado con agua y/o suciedad water and/or dirt. El aire dentro de los tanques de combustible fuel tanks de la aeronave puede enfriarse por la noche y este enfriamiento forma gotas de agua water droplets (a través de la condensation) en el interior de los fuel tanks. Estas water droplets luego caen en el fuel . Para evitar este problema, siempre llene completamente los tanques cuando estacione durante la noche.

 

Drene completamente todos los sumideros fuel sumps, drenadores drains y filtros de la aeronave strainers antes de un vuelo para eliminar toda el water que podría haberse acumulado.

 

La suciedad dirt puede entrar en el fuel si el equipo de refueling no se mantiene bien o si la operación de reabastecimiento de combustible es descuidada. Tenga cuidado al hacer refueling.

 

En la mayoría de los aviones se utilizan dos sistemas de bombas de combustible fuel pump. El sistema de bomba principal es impulsado por motor engine driven y se proporciona una bomba eléctrica auxiliar electric fuel pump para su uso en caso de que la engine driven fuel pump falle.

 

La auxiliar electric fuel pump, comúnmente conocida como "bomba de impulso" boost pump, proporciona una mayor confiabilidad al sistema de combustible y también se utiliza como ayuda en el arranque del motor engine starting. La auxiliar electric fuel pump se controla mediante un switch en la cabina cockpit.

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6. Temperaturas del Motor

 

El aceite lubricante oil del motor no solo evita el contacto directo de metal con metal de las piezas móviles, sino que también absorbe y disipa parte del calor del motor producido por la combustión interna. Si el engine oil level baja demasiado, puede producirse una indicación de temperatura del aceite del motor anormalmente alta.

 

En el suelo o en el aire, las temperaturas excesivamente altas del motor pueden causar un consumo excesivo de oil, pérdida de potencia loss of power y posibles daños internos permanentes en el motor.

 

Si los medidores de temperatura del aceite del motor y de la temperatura de la culata oil temperature and cylinder head temperature gauges han excedido su rango de operación normal, o si el piloto sospecha que el motor (con una fixed-pitch propeller) está detonating durante el ascenso, es posible que el piloto haya estado operando con demasiada potencia y la mezcla demasiado pobre lean, usando combustible de un grado demasiado bajo o haciendo funcionar el motor con una cantidad insuficiente de aceite.

 

Reducir la velocidad de ascenso rate of climb y aumentar la airspeed, enriquecer la mezcla de combustible o retardar el acelerador ayudará a enfriar un motor que se está sobrecalentando. La regla más importante a recordar en caso de una falla de motor después de estar en el aire es mantener una velocidad aérea segura.

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7. Hélices

 

Una hélice propeller proporciona empuje thrust  para propulsar el avión por el aire. Figura 17.

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Algunas aeronaves están equipadas con una hélice de paso fijo fixed pitch propeller. Fig 18.

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Algunos aviones están equipados con una hélice de velocidad constante constant-speed propeller y angulo vartiable.

Este tipo de propeller permite al piloto seleccionar el ángulo de pala de la propeller más eficiente para cada fase del vuelo. En estos aviones, el acelerador throttle controla la potencia de salida indicada en el manómetro manifold pressure gauge y el control de la hélice regula las RPM revolutions per minute del engine.

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Un piloto debe evitar un ajuste de presión alta en el manifold pressure con bajas RPM en motores equipados con una constant-speed propeller. Para evitar una alta presión en el manifold pressure combinada con bajas RPM, reduzca el manifold pressure antes de reducir las RPM cuando disminuya los ajustes de potencia (o aumente las RPM antes de aumentar la el manifold pressure cuando aumente los ajustes de potencia).

8. Torque

 

Un avión de configuración estándar cuya propeller gira a la derecha tiene una tendencia insistente a girar hacia la izquierda. Esta tendencia se llama torque y es una combinación de cuatro fuerzas: fuerza reactiva reactive force, corriente  en espiral spiraling slipstream, precesión giroscópica gyroscopic precession y factor P P-factor. La reactive force se basa en la ley de acción y reacción de Newton. Una propeller que gira en el sentido de las agujas del reloj (vista desde atrás) produce una fuerza que tiende rodar el avión en el sentido contrario a las agujas del reloj. Figura 20.

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La estela en espiral spiraling slipstream es la reacción del aire a una hélice giratoria rotating propeller.

(La propeller fuerza al aire a girar en espiral en el sentido de las agujas del reloj alrededor del fuselage).

Esta spiraling slipstream golpea el vertical stabilizer del avión en el lado izquierdo. Esto empuja la cola tail del avión hacia la derecha y la nariz nose del avión hacia la izquierda. Fig 21.

 

Los Trikes y los paracaídas motorizados powered parachutes no tienen este efecto.

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La precesión giroscópica gyroscopic precession es el resultado de una fuerza deflectiva aplicada a un cuerpo giratorio (como una propeller). La acción resultante ocurre 90 ° más tarde en la dirección de rotación. Figura 22.

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La carga asimétrica de la propeller, llamada factor P P-factor, es causada por la pala blade que se mueve hacia abajo en el lado derecho de la propellery tiene un angle of attack más alto, una acción y reacción mayores y, por lo tanto, un empuje thrust más alto que la pala blade opuesta que se mueve hacia arriba. Esto da como resultado una tendencia de la aeronave a virar hacia la izquierda alrededor del vertical axis. La tendencia de giro a la izquierda adicional del torque será mayor cuando la aeronave esté operando a baja velocidad con un ajuste de alta potencia thrust.

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9. Procedimiento de Inspección Prevuelo

 

Se debe realizar una inspección previa al vuelo preflight inspection exhaustiva en una aeronave para ayudar a garantizar que la aeronave esté preparada para un vuelo seguro y debe ser un medio completo y sistemático por el cual el piloto determina que el avión está listo para un vuelo seguro. Antes de cada vuelo, un piloto debe realizar al menos una preflight inspection.

Después de que una aeronave ha estado almacenada durante un período de tiempo prolongado, se debe realizar una verificación especial durante el preflight inspection para detectar daños u obstrucciones causados ​​por animales, aves o insectos.

Se recomienda el uso de una lista de verificación escrita written checklist para la preflight inspection y el arranque del motor para garantizar que todos los elementos necesarios se verifiquen en una secuencia lógica. Aunque 14 CFR Parte 91 asigna la responsabilidad principal al propietario u operador de mantener una aeronave en condiciones de aeronavegabilidad airworthy condition, el piloto al mando pilot-in-command es responsable de determinar si esa aeronave está en condiciones de vuelo seguro safe flight condition.

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