Vztlak křídla: Bernoulliho princip nad křídlem
1 · Predikuj
Vzduch teče nad zakřiveným vrchem křídla rychleji než pod ním. Podle Bernoulliho principu — který povrch má nižší tlak a co to znamená pro křídlo?
- Horní povrch má nižší tlak a vytváří výslednou sílu vzhůru (vztlak).
- Spodní povrch má nižší tlak a tlačí křídlo dolů.
- Oba povrchy mají stejný tlak, takže není žádná výsledná síla.
2 · Sestavení
- Otevři předvolbu fluid-wing a stiskni Resetovat. Vzduch teče přes profil křídla; cesta po horním povrchu je užší než spodní, takže vzduch nahoře zrychluje.
- Zapni odečty rychlosti na horním povrchu a rozdílu tlaků.
- Nastav spodní a horní průřezovou plochu a vstupní rychlost vzduchu pro každý pokus a zapiš odečty horní rychlosti a rozdílu tlaků.
3 · Sbírej data
| Plocha spodní cesty A₁ (m²) | Plocha horní cesty A₂ (m²) | Vstupní rychlost vzduchu v₁ (m/s) | Rychlost po horní ploše v₂ (m/s) | Rozdíl tlaků ΔP (horní − spodní) (kPa) |
|---|---|---|---|---|
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 22.00 | ||
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 30.00 | ||
| 6.00e-4 | 4.00e-4 | 25.00 |
Vynes rozdíl tlaků ΔP (osa y) proti rychlosti na horním povrchu v₂ (osa x) pro své tři pokusy.
4 · Analyzuj
- Pro jeden pokus spočti v₂ = A₁v₁/A₂ z kontinuity, pak ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) s hustotou vzduchu 1.225 kg/m³. Porovnej obě s odečty — ΔP je záporné, protože rychlejší vzduch nahoře má nižší tlak, a právě to zvedá křídlo.
- Rozdíl tlaků je tu v Pa mnohem menší než v experimentu fluid-venturi při podobných rychlostech. Vysvětli proč, pomocí hodnoty hustoty v Bernoulliho rovnici.
5 · Rozšiř
- Tento model (kontinuita + Bernoulli) vysvětluje část toho, jak křídla vytvářejí vztlak, ale skutečný aerodynamický vztlak také silně závisí na úhlu náběhu a nevyžaduje, aby částice vzduchu nad a pod křídlem dorazily k ostré hraně současně. Proč může být jednoduchý příběh „stejná doba přeletu“ o vztlaku zavádějící?
- Hustota vzduchu ve velké výšce klesá. Použij ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²) a vysvětli, proč se křídlo musí v řídkém vysokohorském vzduchu hýbat rychleji, aby vytvořilo stejný vztlak jako na hladině moře.
Fyzika za tímto experimentem
Rovnice kontinuity
Pro nestlačitelnou tekutinu se průtok (plocha × rychlost) podél proudnice zachovává: A₁v₁ = A₂v₂. Užší cesta po vrchu křídla nutí vzduch tam hýbat se rychleji.
Bernoulliho rovnice (vzduch)
Podél vodorovné proudnice zůstává P + ½ρv² konstantní. Vzduch pohybující se rychleji po vrchu křídla má tam nižší tlak než pomalejší vzduch pod ním — rozdíl tlaků přispívající ke vztlaku.