Siipiprofiilin noste: Bernoullin periaate siiven yllä
1 · Ennusta
Ilma virtaa nopeammin siipiprofiilin kaarevan yläpinnan yli kuin sen alla. Bernoullin periaatteen mukaan kummalla pinnalla on pienempi paine – ja mitä se merkitsee siivelle?
- Yläpinnalla on pienempi paine, luoden nettotyöntövoiman ylöspäin (noste).
- Alapinnalla on pienempi paine, työntäen siipeä alaspäin.
- Molemmilla pinnoilla on yhtä suuri paine, joten nettovoimaa ei ole.
2 · Kokoa
- Avaa fluid-wing-esiasetus ja paina Nollaa. Ilma virtaa siipiprofiilin poikkileikkauksen yli; yläpinnan reitti on kapeampi kuin alan, joten ilma nopeutuu yläpinnalla.
- Ota käyttöön yläpinnan nopeuden ja paine-eron lukemat.
- Aseta ala- ja yläpoikkileikkauksen pinta-alat ja sisääntulon ilmanopeus jokaiselle suoritukselle ja kirjaa ylänopeuden ja paine-eron lukemat.
3 · Kerää data
| Alareitin pinta-ala A₁ (m²) | Yläreitin pinta-ala A₂ (m²) | Sisääntulevan ilman nopeus v₁ (m/s) | Yläpinnan nopeus v₂ (m/s) | Paine-ero ΔP (ylä − ala) (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 |
Kuvaa paine-ero ΔP (y-akseli) yläpinnan nopeutta v₂ vasten (x-akseli) kolmelle suorituksellesi.
4 · Analysoi
- Yhdelle suoritukselle laske v₂ = A₁v₁/A₂ jatkuvuudesta, sitten ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) käyttäen ilman tiheyttä 1.225 kg/m³. Vertaa molempia lukemiin – ΔP on negatiivinen, koska nopeampi ilma yläpinnalla on pienemmässä paineessa, ja juuri se nostaa siiven.
- Paine-ero tässä on paljon pienempi pascaineina kuin fluid-venturi-kokeessa samantyyppisillä nopeuksilla. Selitä miksi käyttäen tiheysarvoa Bernoullin yhtälössä.
5 · Laajenna
- Tämä malli (jatkuvuus + Bernoulli) selittää osan siitä, miten siivet tuottavat nosteen, mutta todellinen aerodynaaminen noste riippuu myös vahvasti siiven hyökkäyskulmasta, eikä vaadi, että siiven ylä- ja alapuolen ilmapakettit saapuvat takareunaan yhdessä. Miksi yksinkertainen ”yhtä pitkä kulkuaika” -tarina nosteesta voi olla harhaanjohtava?
- Ilman tiheys laskee korkealla. Käyttäen kaavaa ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²) selitä, miksi siiven on liikuttava nopeammin harvan korkean ilman läpi tuottaakseen saman nosteen kuin merenpinnan tasolla.
Tämän kokeen fysiikka
Jatkuvuusyhtälö
Puristumattomalle fluidille virtaama (pinta-ala × nopeus) säilyy virtaviivaa pitkin: A₁v₁ = A₂v₂. Kapeampi reitti siipiprofiilin yläpuolella pakottaa ilman nopeutumaan siellä.
Bernoullin yhtälö (ilma)
Vaakasuoraa virtaviivaa pitkin P + ½ρv² pysyy vakiointa. Nopeammin siiven yläpuolella liikkuva ilma on pienemmässä paineessa kuin hitaampi ilma sen alla – paine-ero, joka osallistuu nosteeseen.