Angkat Aerofoil: Prinsip Bernoulli di atas Sayap
1 · Ramal
Udara mengalir lebih pantas di atas bahagian melengkung aerofoil berbanding di bawahnya. Menurut prinsip Bernoulli, permukaan mana yang lebih rendah tekanannya -- dan apa yang itu bermakna bagi sayap?
- Permukaan atas lebih rendah tekanannya, mencipta daya bersih ke atas (angkat).
- Permukaan bawah lebih rendah tekanannya, menolak sayap ke bawah.
- Kedua-dua permukaan sama tekanannya, jadi tiada daya bersih.
2 · Susun
- Buka praset sayap-bendalir dan tekan Set semula. Udara mengalir melalui keratan rentas aerofoil; laluan permukaan-atas lebih sempit daripada bawah, jadi udara memecut di atas.
- Aktifkan bacaan laju-permukaan-atas dan beza-tekanan.
- Tetapkan luas keratan rentas bawah dan atas serta laju udara masuk bagi setiap percubaan, dan rekod bacaan laju atas dan beza tekanan.
3 · Kumpul Data
| Luas laluan bawah A₁ (m²) | Luas laluan atas A₂ (m²) | Laju udara masuk v₁ (m/s) | Laju permukaan-atas v₂ (m/s) | Beza tekanan ΔP (atas − bawah) (Pa) |
|---|---|---|---|---|
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 22.00 | ||
| 6.00e-4 | 3.00e-4 | 30.00 | ||
| 6.00e-4 | 4.00e-4 | 25.00 |
Plot beza tekanan ΔP (paksi-y) melawan laju permukaan-atas v₂ (paksi-x) bagi tiga percubaan anda.
4 · Analisis
- Bagi satu percubaan, kira v₂ = A₁v₁/A₂ daripada kesinambungan, kemudian ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) menggunakan ketumpatan udara 1.225 kg/m³. Bandingkan kedua-duanya dengan bacaan -- ΔP negatif kerana udara lebih pantas di atas berada pada tekanan lebih rendah, dan itulah yang mengangkat sayap.
- Beza tekanan di sini jauh lebih kecil dalam Pa berbanding eksperimen venturi-bendalir bagi laju serupa. Terangkan mengapa, menggunakan nilai ketumpatan dalam persamaan Bernoulli.
5 · Lanjutkan
- Model ini (kesinambungan + Bernoulli) menerangkan sebahagian daripada cara sayap menjana angkat, tetapi angkat aerodinamik sebenar juga bergantung berat pada sudut serang sayap, dan tidak memerlukan bungkusan udara di atas dan di bawah sayap tiba di tepi belakang bersama. Mengapa cerita ringkas 'masa transit sama' tentang angkat mungkin mengelirukan?
- Ketumpatan udara menurun pada altitud tinggi. Menggunakan ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), terangkan mengapa sayap perlu bergerak lebih pantas melalui udara nipis altitud tinggi untuk menjana angkat yang sama seperti di aras laut.
Fizik di Sebalik Eksperimen Ini
Persamaan Kesinambungan
Bagi bendalir tak mampat, kadar aliran (luas × laju) dikekalkan sepanjang garis alir: A₁v₁ = A₂v₂. Laluan lebih sempit di atas aerofoil memaksa udara di situ bergerak lebih pantas.
Persamaan Bernoulli (udara)
Sepanjang garis alir mengufuk, P + ½ρv² kekal malar. Udara yang bergerak lebih pantas di atas sayap mempunyai tekanan lebih rendah di situ berbanding udara lebih perlahan di bawah -- beza tekanan yang menyumbang kepada angkat.