Lực nâng của cánh máy bay: Nguyên lý Bernoulli trên cánh
1 · Dự đoán
Không khí di chuyển nhanh hơn trên đỉnh cong của cánh máy bay so với bên dưới nó. Theo nguyên lý Bernoulli, bề mặt nào có áp suất thấp hơn – và điều đó có ý nghĩa gì đối với cánh?
- Bề mặt trên có áp suất thấp hơn, tạo ra lực hướng lên (lực nâng).
- Mặt dưới có áp suất thấp hơn, đẩy cánh xuống.
- Cả hai bề mặt đều có áp suất bằng nhau nên không có lực ròng.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước cánh chất lỏng và nhấn Đặt lại. Dòng không khí chảy qua mặt cắt cánh máy bay; đường dẫn ở bề mặt trên hẹp hơn phía dưới, do đó không khí tăng tốc ở phía trên.
- Cho phép đọc tốc độ bề mặt và chênh lệch áp suất.
- ...đồng thời ghi lại tốc độ mặt trên và số đọc chênh lệch áp suất.
3 · Thu thập dữ liệu
| Diện tích đường dẫn dưới A₁ (m²) | Diện tích đường dẫn trên A₂ (m²) | Tốc độ không khí đầu vào v₁ (m/s) | Tốc độ trên bề mặt v₂ (m/s) | Chênh lệch áp suất ΔP (trên - dưới) (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 |
Vẽ biểu đồ chênh lệch áp suất ΔP (trục y) so với tốc độ bề mặt trên cùng v₂ (trục x) cho ba lần thử của bạn.
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính v₂ = A₁v₁/A₂ từ tính liên tục, sau đó tính ΔP = P_trên − P_dưới = ½ρ_air(v₁² − v₂²) sử dụng mật độ không khí 1.225 kg/m³. So sánh cả hai với số đọc — ΔP âm vì luồng không khí nhanh hơn phía trên có áp suất thấp hơn ở đó, và chính điều đó nâng cánh lên.
- Sự chênh lệch áp suất ở Pa nhỏ hơn nhiều so với trong thí nghiệm chất lỏng-venturi với tốc độ tương tự. Giải thích tại sao, bằng cách sử dụng giá trị mật độ trong phương trình Bernoulli.
5 · Gia hạn
- Tại sao cách giải thích đơn giản về "thời gian bay bằng nhau" cho lực nâng lại có thể gây hiểu lầm?
- Mật độ không khí giảm ở độ cao. Sử dụng ΔP = ½ρ_air(v₁² − v₂²), giải thích tại sao một cánh cần di chuyển nhanh hơn trong vùng không khí mỏng ở độ cao lớn để tạo ra lực nâng tương tự như khi ở mực nước biển.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Phương trình liên tục
Đối với chất lỏng không nén được, tốc độ dòng chảy (diện tích × tốc độ) được bảo toàn dọc theo đường thẳng: A₁v₁ = A₂v₂. Đường dẫn hẹp hơn phía trên cánh máy bay buộc không khí ở đó di chuyển nhanh hơn.
Phương trình Bernoulli (không khí)
Dọc theo đường thẳng ngang, P + ½ρv² không đổi. Không khí di chuyển nhanh hơn phía trên cánh có áp suất thấp hơn không khí chậm hơn bên dưới - sự chênh lệch áp suất góp phần tạo lực nâng.