Elevación del perfil aerodinámico: el principio de Bernoulli sobre un ala
1 · Predecir
El aire fluye más rápido sobre la parte superior curva de un perfil aerodinámico que debajo de él. Según el principio de Bernoulli, ¿qué superficie tiene menor presión y qué significa eso para el ala?
- La superficie superior tiene menor presión, lo que crea una fuerza neta hacia arriba (elevación).
- La superficie inferior tiene menor presión, empujando el ala hacia abajo.
- Ambas superficies tienen la misma presión, por lo que no hay fuerza neta.
2 · Configurar
- Abra el preajuste de ala fluida y presione Restablecer. El aire fluye sobre una sección transversal del perfil aerodinámico; el camino de la superficie superior es más angosto que el inferior, por lo que el aire se acelera sobre la parte superior.
- Habilite las lecturas de velocidad de superficie máxima y diferencia de presión.
- Establezca las áreas de sección transversal inferior y superior y la velocidad del aire de entrada para cada prueba, y registre las lecturas de velocidad máxima y diferencia de presión.
3 · Recopilar Datos
| Área del camino inferior A₁ (m²) | Área de ruta superior A₂ (m²) | Velocidad del aire de entrada v₁ (m/s) | Velocidad en la superficie superior v₂ (m/s) | Diferencia de presión ΔP (arriba − abajo) (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 |
Grafique la diferencia de presión ΔP (eje y) frente a la velocidad en la superficie superior v₂ (eje x) para sus tres pruebas.
4 · Analizar
- Para una prueba, calcule v₂ = A₁v₁/A₂ a partir de la continuidad, luego ΔP = P_arriba − P_abajo = ½ρ_air(v₁² − v₂²) usando la densidad del aire 1.225 kg/m³. Compare ambos con las lecturas — ΔP es negativo porque el aire más rápido sobre la parte superior tiene menor presión allí, y eso es lo que sustenta el ala.
- La diferencia de presión aquí es mucho menor en Pa que en el experimento de fluido venturi para velocidades similares. Explique por qué, utilizando el valor de densidad en la ecuación de Bernoulli.
5 · Ampliar
- Este modelo (continuidad + Bernoulli) explica parte de cómo las alas generan sustentación, pero la sustentación aerodinámica real también depende en gran medida del ángulo de ataque del ala y no requiere que las parcelas de aire por encima y por debajo del ala lleguen juntas al borde de fuga. ¿Por qué podría ser engañosa una simple historia sobre el "tiempo de tránsito igual" sobre el ascensor?
- La densidad del aire disminuye a gran altura. Usando ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), explica por qué un ala necesita moverse más rápido a través del aire fino a gran altitud para generar la misma sustentación que lo haría al nivel del mar.
La física detrás de este experimento
Ecuación de continuidad
Para un fluido incompresible, el caudal (área × velocidad) se conserva a lo largo de una línea de corriente: A₁v₁ = A₂v₂. El camino más estrecho sobre la parte superior del perfil obliga al aire a moverse más rápido.
Ecuación de Bernoulli (aire)
A lo largo de una línea de corriente horizontal, P + ½ρv² permanece constante. El aire que se mueve más rápido sobre la parte superior del ala tiene una presión más baja allí que el aire más lento debajo: la diferencia de presión que contribuye a la sustentación.