Lyftkraft hos vingprofilen: Bernoullis princip över en vinge
1 · Förutsäg
Luft strömmar snabbare över den välvda ovansidan av en vingprofil än under den. Enligt Bernoullis princip, vilken yta har lägre tryck — och vad betyder det för vingen?
- Ovansidan har lägre tryck, vilket ger en nettokraft uppåt (lyftkraft).
- Undersidan har lägre tryck, vilket trycker ner vingen.
- Båda ytorna har samma tryck, så det finns ingen nettokraft.
2 · Uppbyggnad
- Öppna förinställningen Vingprofil och tryck på Återställ. Luft strömmar över ett tvärsnitt av en vingprofil; banan över ovansidan är trängre än den under, så luften ökar farten uppe.
- Aktivera avläsningarna av hastigheten över ovansidan och tryckskillnaden.
- Ställ in undre och övre tvärsnittsarea samt inloppsluftfarten för varje försök, och notera avläsningarna av topphastighet och tryckskillnad.
3 · Samla data
| Undre banans area A₁ (m²) | Övre banans area A₂ (m²) | Inloppshastighet (luft) v₁ (m/s) | Ythastighet (topp) v₂ (m/s) | Tryckskillnad ΔP (över − under) (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 |
Rita tryckskillnaden ΔP (y-axeln) mot hastigheten över ovansidan v₂ (x-axeln) för dina tre försök.
4 · Analysera
- Beräkna för ett försök v₂ = A₁v₁/A₂ ur kontinuiteten, sedan ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) med luftdensiteten 1.225 kg/m³. Jämför båda med avläsningarna — ΔP är negativt eftersom den snabbare luften uppe har lägre tryck, och det är det som lyfter vingen.
- Tryckskillnaden här är mycket mindre i Pa än i Venturi-experimentet vid liknande farter. Förklara varför, med densitetsvärdet i Bernoullis ekvation.
5 · Utvidga
- Denna modell (kontinuitet + Bernoulli) förklarar en del av hur vingar alstrar lyftkraft, men verklig aerodynamisk lyftkraft beror också starkt på vingens anfallsvinkel och kräver inte att luftpaketen ovanför och under vingen kommer fram till utlöpningskanten samtidigt. Varför kan en enkel berättelse om 'lika genomloppstid' om lyftkraft vilseleda?
- Luftens densitet sjunker på hög höjd. Använd ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²) för att förklara varför en vinge måste röra sig snabbare genom tunn höghöjdsluft för att ge samma lyftkraft som vid havsnivån.
Fysiken bakom det här experimentet
Kontinuitetsekvationen
För en okompressibel fluid bevaras volymströmmen (area × fart) längs en strömningslinje: A₁v₁ = A₂v₂. Den trängre banan över vingprofilens ovansida tvingar luften där att röra sig snabbare.
Bernoullis ekvation (luft)
Längs en horisontell strömningslinje förblir P + ½ρv² konstant. Luft som rör sig snabbare över vingens ovansida har lägre tryck där än den långsammare luften under — tryckskillnaden som bidrar till lyftkraften.