Portanza dell'ala: principio di Bernoulli sopra un'ala
1 · Prevedi
L'aria scorre più veloce sopra il dorso curvo di un profilo che sotto. Secondo il principio di Bernoulli, quale superficie ha pressione minore — e cosa significa per l'ala?
- La superficie superiore ha pressione minore, creando una forza netta verso l'alto (portanza).
- La superficie inferiore ha pressione minore, spingendo l'ala verso il basso.
- Le due superfici hanno pressione uguale: nessuna forza netta.
2 · Configurazione
- Apri il preset Ala e premi Reimposta. L'aria scorre su una sezione di profilo alare; il percorso superiore è più stretto dell'inferiore, quindi l'aria accelera sopra.
- Attiva le letture di velocità sulla superficie superiore e differenza di pressione.
- Imposta aree di sezione inferiore e superiore e velocità dell'aria in ingresso per ogni prova, e registra velocità superiore e differenza di pressione.
3 · Raccogli dati
| Area percorso inferiore A₁ (m²) | Area percorso superiore A₂ (m²) | Velocità aria in ingresso v₁ (m/s) | Velocità superficie superiore v₂ (m/s) | Differenza di pressione ΔP (sopra − sotto) (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 |
Traccia la differenza di pressione ΔP (asse y) contro la velocità superiore v₂ (asse x) per le tre prove.
4 · Analizza
- Per una prova, calcola v₂ = A₁v₁/A₂ dalla continuità, poi ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) usando densità dell'aria 1.225 kg/m³. Confronta entrambi con le letture — ΔP è negativo perché l'aria più veloce sopra la superficie sta a pressione minore, ed è proprio ciò che solleva l'ala.
- La differenza di pressione qui è molto più piccola in Pa che nell'esperimento Venturi a velocità simili. Spiega perché, usando il valore di densità nell'equazione di Bernoulli.
5 · Estendi
- Questo modello (continuità + Bernoulli) spiega parte di come le ali generano portanza, ma la portanza aerodinamica reale dipende fortemente anche dall'angolo d'attacco, e non richiede che gli elementi d'aria sopra e sotto l'ala arrivino insieme al bordo d'uscita. Perché la semplice storia del «tempo di transito uguale» può trarre in inganno?
- La densità dell'aria calude in quota. Usando ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), spiega perché un'ala deve muoversi più veloce nell'aria rarefatta di alta quota per generare la stessa portanza che avrebbe a livello del mare.
La fisica dietro questo esperimento
Equazione di continuità
Per un fluido incomprimibile, la portata (area × velocità) si conserva lungo una linea di corrente: A₁v₁ = A₂v₂. Il percorso più stretto sopra il dorso del profilo alare costringe l'aria lì a muoversi più veloce.
Equazione di Bernoulli (aria)
Lungo una linea di flusso orizzontale, P + ½ρv² resta costante. L'aria che scorre più veloce sopra l'ala ha lì pressione minore della più lenta sotto: la differenza di pressione che contribuisce alla portanza.