Механіка рідин

Крило літака

Саме це задане поле потоку, а не кривизна крила чи рівний час транзиту, створює швидший верхній потік і його різницю тисків.

Крило літака — інтерактивне моделювання: Механіка рідин. Саме це задане поле потоку, а не кривизна крила чи рівний час транзиту, створює швидший верхній потік і його різницю тисків. Безкоштовна браузерна віртуальна фізична лабораторія з живими вимірюваннями в СІ та керованим заняттям.

Підйомна сила з потоку

Ця ідеалізована модель потоку пов'язує різницю тисків поперек крилового профілю з висхідною підйомною силою.

Задане поле потоку має швидші елементи повітря над крилом і нижчий тиск там. Воно ілюструє внесок різниці тисків у підйомну силу; воно не припускає, що елементи повітря мусить прибути разом.

• P + ½ρv² = константа
• Підйомна сила ∝ ΔP · площа

Короткий опис дослідження

Сплануйте запитання, перш ніж відкрити лабораторію

Короткий відповідає передрендереній сторінці: рушійне запитання, конкуруючі прогнози, ролі змінних, керівні закони, установка, аналіз і підсилення лишаються видимими та в цьому порядку.

Рушійне запитання

Повітря рухається швидше над опуклим верхом крилового профілю, ніж під ним. Згідно з принципом Бернуллі, яка поверхня має нижчий тиск — і що це означає для крила?

Прогнози для зважування

• Верхня поверхня має нижчий тиск, створюючи чисту висхідну силу (підйомну).
• Нижня поверхня має нижчий тиск, штовхаючи крило вниз.
• Обидві поверхні мають однаковий тиск, тож чистої сили немає.

Ролі змінних

Що ви задаєте:

• Площа нижнього шляху A₁ (m²)
• Площа верхнього шляху A₂ (m²)
• Вхідна швидкість повітря v₁ (m/s)

Що ви вимірюєте:

• Швидкість на верхній поверхні v₂ (m/s)
• Різниця тисків ΔP (верх − низ) (kPa)

Як проходить дослідження

1. Відкрийте пресет «Крило літака» та натисніть «Скинути». Повітря обтікає переріз крилового профілю; шлях над верхньою поверхнею вужчий за нижній, тож повітря прискорюється зверху.
2. Увімкніть покази швидкості на верхній поверхні та різниці тисків.
3. Задайте нижню та верхню площі перерізів і вхідну швидкість повітря для кожного заміру і запишіть покази верхньої швидкості та різниці тисків.

Керівне рівняння

Рівняння нерозривності — A₁·v₁ = A₂·v₂

Для нестисливої рідини витрата (площа × швидкість) зберігається вздовж лінії струму: A₁v₁ = A₂v₂. Вужчий шлях над верхом крилового профілю змушує повітря там рухатися швидше.

Рівняння Бернуллі (повітря) — P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂²

Вздовж горизонтальної лінії струму P + ½ρv² стало. Повітря, що рухається швидше над верхом крила, має там нижчий тиск, ніж повільніше повітря знизу — ця різниця тисків і робить внесок у підйомну силу.

Що друкований робочий аркуш пропонує учням обчислити

• Для одного заміру обчисліть v₂ = A₁v₁/A₂ з нерозривності, потім ΔP = P_top − P_bottom = ½ρ_air(v₁² − v₂²) з густиною повітря 1.225 кг/м³. Порівняйте обидва з показами — ΔP від'ємне, бо швидше повітря над верхом сидить на нижчому тиску, і саме це підіймає крило.
• Різниця тисків тут значно менша в Pa, ніж в експерименті з трубкою Вентурі за подібних швидкостей. Поясніть чому, використовуючи значення густини в рівнянні Бернуллі.

Де це трапляється за межами лабораторії

• Ця модель (нерозривність + Бернуллі) пояснює частину того, як крила створюють підйомну силу, але справжня аеродинамічна підйомна сила сильно залежить і від кута атаки, і не вимагає, щоб елементи повітря над та під крилом дійшли до задньої кромки разом. Чому проста історія про «рівний час транзиту» підйомної сили може вводити в оману?
• Густина повітря спадає на великих висотах. Використовуючи ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), поясніть, чому крилу треба рухатися швидше крізь розріджене висотне повітря, щоб створити ту саму підйомну силу, що й на рівні моря.

• AP Physics 1 — Unit 8: Fluids
• General High School Physics — Fluids & pressure
• NGSS High School Physics — Forces and Newton's second law

1. Вітаємо в крилі потоку
2. Натисніть «Запустити»
3. Різниця тисків
4. Відкрийте панель властивостей
5. У вас вийшло!

Відкрийте інтерактивне моделювання, щоб зібрати сцену, натиснути «Запустити» та дослідити з живими вимірюваннями й керованим заняттям.

Відкрити інтерактивну лабораторію →

Завантажити лабораторний аркуш →

Закон Бернуллі