Vztlak krídla: Bernoulliho princíp nad krídlom
1 · Predikuj
Vzduch prúdi rýchlejšie po zakrivenej hornej strane profilu krídla než pod ním. Podľa Bernoulliho princípu — ktorý povrch má nižší tlak a čo to znamená pre krídlo?
- Horný povrch má nižší tlak, čím vzniká čistá sila nahor (vztlak).
- Spodný povrch má nižší tlak, čo tlačí krídlo nadol.
- Oba povrchy majú rovnaký tlak, takže neexistuje čistá sila.
2 · Priprav
- Otvor predvolbu krídlo a stlač Resetovať. Vzduch prúdi okolo prierezu profilu krídla; dráha po hornom povrchu je užšia než spodná, takže vzduch zrýchľuje po vrchu.
- Zapni odčítania rýchlosti na hornom povrchu a rozdielu tlakov.
- Nastav spodnú a hornú prierezovú plochu a vstupnú rýchlosť vzduchu pre každý pokus a zaznamenaj odčítania hornej rýchlosti a rozdielu tlakov.
3 · Zbieraj údaje
| Plocha spodnej dráhy A₁ (m²) | Plocha hornej dráhy A₂ (m²) | Vstupná rýchlosť vzduchu v₁ (m/s) | Rýchlosť na hornom povrchu v₂ (m/s) | Rozdiel tlakov ΔP (vrch − spodok) (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 |
Zaznamenaj rozdiel tlakov ΔP (os y) verzus rýchlosť na hornom povrchu v₂ (os x) pre svoje tri pokusy.
4 · Analyzuj
- Pre jeden pokus vypočítaj v₂ = A₁v₁/A₂ z kontinuity, potom ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) s hustotou vzduchu 1.225 kg/m³. Porovnaj obe s odčítaniami — ΔP je záporné, pretože rýchlejší vzduch na vrchu sedí pri nižšom tlaku, a to je to, čo dvíha krídlo.
- Rozdiel tlakov je tu oveľa menší v Pa než v experimente Venturi pri podobných rýchlostiach. Vysvetli prečo, pomocou hodnoty hustoty v Bernoulliho rovnici.
5 · Rozšír
- Tento model (kontinuita + Bernoulli) vysvetľuje časť toho, ako krídlá generujú vztlak, ale skutočný aerodynamický vztlak závisí aj silne na uhle nábehu krídla a nevyžaduje, aby objemy vzduchu nad a pod krídlom dorazili na koncovú (odtokovú) hranu súčasne. Prečo môže byť jednoduchý príbeh o „rovnakom čase preletu“ zavádzajúci?
- Hustota vzduchu klesá vo veľkej nadmorskej výške. Pomocou ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²) vysvetli, prečo krídlo sa musí hýbať rýchlejšie cez riedky vysokohorský vzduch, aby vygenerovalo rovnaký vztlak ako pri hladine mora.
Fyzika za týmto experimentom
Rovnica kontinuity
Pre nestlačiteľnú kvapalinu je prietok (plocha × rýchlosť) zachovaný pozdĺž prúdnice: A₁v₁ = A₂v₂. Užšia dráha po vrchu profilu krídla núti vzduch, aby sa tam hýbal rýchlejšie.
Bernoulliho rovnica (vzduch)
Pozdĺž vodorovnej prúdnice zostáva P + ½ρv² konštantné. Vzduch pohybujúci sa rýchlejšie po vrchu krídla má tam nižší tlak než pomalší vzduch pod ním — rozdiel tlakov, ktorý prispieva k vztlaku.