¿Cómo generan sustentación las alas?

Para llegar al fondo, puede ser útil buscar en elevación a nivel molecular:

Cada molécula de aire se encuentra en un equilibrio dinámico entre los efectos de inercia, presión y viscosidad:

• Inercial significa que la masa de la partícula quiere viaja como antes y necesita fuerza para convencerse de lo contrario.
• Presión significa que las partículas de aire oscilan todo el tiempo y rebotan en otras partículas de aire. Cuanto más rebotan, más fuerza ejercen sobre su entorno.
• La viscosidad significa que las moléculas de aire, debido a esta oscilación, tienden a asumir la velocidad y dirección de sus vecinas.

Fluye sobre el lado superior del ala

Ahora al flujo de aire: cuando un ala se acerca a velocidad subsónica, el área de baja presión sobre su superficie superior succionará aire delante de él. Véalo de esta manera: arriba y abajo de un paquete de aire tenemos menos rebotes de moléculas (= menos presión), y ahora el rebote constante del aire debajo y corriente arriba de ese paquete empujará sus moléculas de aire hacia arriba y hacia ese ala. El paquete de aire se elevará y acelerará hacia el ala y será succionado hacia esa área de baja presión. Debido a la aceleración, el paquete se estirará a lo largo y su presión caerá en sincronía con el aumento de velocidad. La propagación ocurre en la dirección del flujo: el paquete se distorsiona y se estira a lo largo, pero se contrae en la dirección ortogonal al flujo. Esta contracción es necesaria para dejar espacio para esa ala; en el flujo supersónico se desacelerará con el mismo propósito. Una vez allí, » verá » que el ala debajo de ella se curva alejándose de su ruta de viaje, y si esa ruta permanecería sin cambios , se formaría un vacío entre el ala y nuestro paquete de aire. A regañadientes, el paquete cambiará de rumbo y seguirá el contorno del ala. Esto requiere una presión aún menor para hacer que las moléculas cambien de dirección. Este aire de baja presión y de flujo rápido succionará aire nuevo por delante y por debajo de él. , continuará desacelerando y recuperará su antigua presión sobre la mitad trasera del ala, y fluirá con su nueva dirección de flujo.

Tenga en cuenta que la elevación solo puede ocurrir si el contorno superior del ala pendiente hacia abajo y alejándose de la trayectoria inicial del aire que fluye alrededor del borde de ataque del ala. Esto podría ser un camber o un ángulo de ataque; ambos tendrán el mismo efecto. Dado que el camber permite un cambio gradual del contorno, es más eficiente que el ángulo de ataque.

Fluye sobre el lado inferior del ala

Un paquete de aire que termina debajo el ala experimentará menos elevación y aceleración, y en la parte convexa de superficies aerodinámicas muy curvadas experimentará una compresión. También tiene que cambiar su trayectoria de flujo, porque el ala curvada y / o inclinada empujará el aire debajo de ella hacia abajo, creando más presión y más rebote desde arriba para nuestro paquete debajo del ala. Cuando ambos paquetes lleguen al borde de salida, habrán adquirido cierta velocidad descendente.

Detrás del ala, ambos paquetes continuarán a lo largo de su camino descendente durante un tiempo debido a la inercia y empujarán el aire debajo de ellos hacia abajo y hacia los lados. Por encima de ellos, este aire, que antes había sido empujado hacia los lados, ahora llenará el espacio sobre nuestros dos paquetes. Macroscópicamente, esto parece dos grandes vórtices. Pero el aire en estos vórtices ya no puede actuar sobre el ala, por lo que no afectará la resistencia ni la sustentación. Consulte aquí para obtener más información sobre ese efecto , incluidas imágenes bonitas.

La elevación se puede explicar de varias formas equivalentes

Siguiendo la imagen de un campo de presión descrito arriba, la sustentación es la diferencia de presión entre la superficie superior e inferior del ala. Las moléculas rebotarán contra la piel del ala más en la parte inferior que en la superior, y la diferencia es la elevación.

O mira la imagen macroscópica: una cierta masa de aire se ha acelerado hacia abajo por el ala, y esto requirió una fuerza para actuar sobre ese aire. Esta fuerza es lo que mantiene a la aeronave en el aire: sustentación.

Si miras el ala como una caja negra y solo prestas atención al impulso del aire que entra y sale, el ala cambiará el impulso agregando un componente hacia abajo. La fuerza de reacción de este cambio de impulso es la elevación.

De cualquier manera, llegará al mismo resultado. Por cierto: ¡La mayor parte del cambio de dirección ocurre en la parte delantera del perfil aerodinámico, no en el borde de fuga!

La sustentación es una cuestión de definición

La sustentación y la resistencia inducida son parte de las presiones que actúan sobre el ala. Si suma todas las fuerzas de presión que actúan sobre un ala, su vector resultante apuntará ligeramente hacia atrás. El componente streamwise es arrastre y el componente ortogonal a la dirección del movimiento es lift. Esta es solo una definición, hecha para simplificar.

Comentarios

• Esto es excelente. Aprecié especialmente la mini conferencia sobre moléculas, creo que realmente me ayudó a entender. Para cualquier otra persona que lea esto, por cierto, asegúrese de mirar la respuesta de DanHumes también, repasa algunos de los mitos comunes sobre cómo se genera el sustento. También es ‘ muy útil.
• ¡Esta fue una excelente respuesta!
• Excelente respuesta. Este youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI muestra que el movimiento / elevación es posible sin Bernoulli.
• Tengo una pregunta sobre el flujo excesivo el lado inferior del ala: ¿la presión allí es mayor que la ambiental o simplemente » menos reducida » que sobre el lado superior del ala? Y leí en alguna parte que el aire sobre la parte inferior del ala se ralentiza y luego se acelera, ¿es cierto? ¿O el aire está » menos acelerado: que sobre la superficie superior del ala?
• @Konrad Los detalles dependen del grosor del perfil aerodinámico. En superficies aerodinámicas delgadas con un alto ángulo de ataque, el flujo sobre el lado inferior se ralentiza y la presión es más alta que la ambiental. En la mayoría de los casos, la presión y la velocidad son cercanas a la ambiental. En superficies aerodinámicas gruesas con un ángulo de ataque bajo, su última frase es correcta: el aire se acelerará menos en el lado inferior. Al final de su recorrido, el aire asumirá nuevamente la velocidad y presión ambientales, por lo que se acelerará o desacelerará según el estado que tenía antes.

Respuesta corta: ejerciendo una fuerza descendente en el aire a su alrededor.

Respuesta larga: Algunas personas de divulgación en el Centro de Investigación Glenn de la NASA han escrito Prepara una muy buena explicación de varias páginas, tratando individualmente cada efecto contribuyente, así como también una discusión sobre por qué las explicaciones que quizás hayas escuchado en la escuela no funcionan. Dado que la navegación es un poco extraña, vincularé cada página individualmente con un breve resumen.

Elevación desde el área de presión

Cuando un fluido se mueve sobre un objeto (o viceversa), la presión es diferente en diferentes puntos. Debido a esta diferencia de presión, hay una fuerza general. Puede usar la ecuación de Bernoulli para calcular esta fuerza, pero necesita conocer la velocidad del fluido (en cada punto del ala) para comenzar. No se puede «explicar simplemente con» el efecto Bernoulli «, porque el efecto Bernoulli se aplica tanto a cualquier cosa que se mueva por el aire.

Levantar desde Flujo girando

Ambas superficies del ala hacen girar el flujo de aire. La superficie inferior lo desvía (el aire rebota en el ala), mientras que la superficie superior curva lo dobla (el aire se pega El giro del flujo es lo que le da sustentación en lugar de solo arrastre. Puede ver el giro como la fuente de la diferencia de presión en el efecto Bernoulli, o puede pensar en él simplemente en términos de igual y fuerzas opuestas.

Hay otra forma de modelar el giro del flujo, que no se discute en el sitio de la NASA. Si ha oído hablar del teorema de Kutta-Joukowski, esto es a lo que se refiere. Cuando el aire se dobla alrededor del ala (o cualquier objeto), hay dos puntos especiales. En la parte delantera del ala, parte del aire pasa por encima y parte por debajo, pero hay un punto entre los dos. La situación opuesta ocurre en la parte posterior del ala, donde el aire de la parte superior La superficie se encuentra con el aire que llegó por la parte inferior (pero no el «mismo» aire: consulte la teoría incorrecta n. ° 1 a continuación). Estos dos puntos se denominan puntos de estancamiento . En un objeto normal, «están en el mismo nivel verticalmente entre sí, pero debido a que la parte posterior de un ala es afilada , el punto de estancamiento trasero se formará detrás de él cuando el ala se mueva lo suficientemente rápido. Eso es más bajo que el punto de estancamiento frontal, lo que implica que el movimiento neto del aire es hacia abajo. De ahí proviene el flujo de giro, y el teorema le permite calcular la elevación que obtiene.

Teoría incorrecta # 1: Tiempo de tránsito igual

Como dije, para invocar el efecto Bernoulli, tienes para explicar por qué el aire en la superficie superior se mueve más rápido. Los profesores suelen afirmar que se debe a que el aire de la superficie superior tiene que encontrarse con el aire de la superficie inferior. Eso es simplemente incorrecto, y hay un buen simulador para demostrarlo.

Teoría incorrecta # 2: Saltar piedra

Esta página analiza cuándo las personas se dan cuenta de que el aire «rebota» en la superficie inferior del ala, pero descuida la parte superior superficie.

Teoría incorrecta # 3: Venturi

Algunas personas imaginan la superficie superior del ala como la mitad de una boquilla Venturi (una boquilla que acelera el flujo de fluido al estrecharla). Esta diferencia de velocidad daría lugar a una diferencia de presión (efecto Bernoulli de nuevo), pero resulta que el ala no funciona como una boquilla en absoluto.

Bernoulli y Newton

Esta última página simplemente resume que las teorías equivocadas comienzan con física conocida (Newton «s leyes o el efecto Bernoulli), pero luego tratar de simplificar demasiado todo para que se ajusten a la situación, por lo que terminan con explicaciones que hacen predicciones incorrectas.

Comentarios

• En mi opinión, la más fácil de entender es la explicación del cambio de flujo. Quiero decir, casi puedes sentirlo;]
• -1 por una explicación incorrecta del teorema de Kutta-Joukowski y el giro del flujo. Uno debe recordar que el giro del flujo es el efecto del levantamiento (que fue creado por la diferencia de presión), más que la causa del levantamiento.
• @VictorJuliet: Tampoco es causa y efecto. Ambas son propiedades del flujo de fluido. Sin embargo, a efectos de explicación, la dirección en esta respuesta es correcta, principalmente porque la dirección opuesta es no es posible ; puede derivar la elevación del teorema de Kutta-Joukowski, pero puede ‘ t derivar el teorema de Kutta-Joukowski de la elevación.
• Lo único incorrecto acerca de la explicación de la -El teorema de Joukowski es que no menciona la razón por la cual el punto de estancamiento trasero se mueve, que es la inercia del aire.
• @VictorJuliet: No ‘ t veo el texto para tratar de probar que el punto de estancamiento trasero se mueve usando el teorema de Kutta-Joukowski ‘ (que solo establece que lo hace y cómo derivar la elevación a partir de él). No lo explica. No explica por qué se mueve hacia el borde de fuga (inercia del flujo), ni por qué se mueve por debajo del frontal (ángulo de ataque + saber ya que está en el borde de fuga).

CÓMO UN AVIÓN GENERA ELEVACIÓN

Por lo general, hay dos campos de pensamiento populares (excluyendo la desacreditada teoría del tiempo igual) detrás de por qué vuela un avión; algunos piensan que es causado por una aplicación de la tercera ley de Newton, y otros piensan que es causado por una diferencia de presión en la parte superior e inferior del ala. Básicamente, tanto la explicación «newtoniana» como la explicación de «presión alta / baja» tienen razón hasta cierto punto. La NASA reconoce esto (ver la segunda referencia a continuación) en su artículo, sin embargo, su explicación final está mucho más centrada en la aplicación matemática y menos en una explicación física.

Tercera ley de Newton

En el lado de la tercera ley de Newton, la fuerza aerodinámica neta es causada por una redirección del viento relativo hacia abajo (conocido como «downwash»). Si observa el diagrama vectorial que describe las fuerzas del ala en el aire, se muestra que esta redirección es causada por una fuerza en el viento del ala que apunta hacia abajo y más o menos perpendicular a la línea de cuerda del ala (la línea directamente entre el borde de ataque y el borde de salida). Debido a la tercera ley de Newton, esto da como resultado una fuerza del viento sobre el ala en la dirección opuesta (hacia arriba y más o menos perpendicular a la línea de cuerda); esta fuerza aerodinámica neta hacia arriba explica la sustentación y el arrastre inducido (arrastre causado por los procesos de elevación de la superficie aerodinámica, que no debe confundirse con la resistencia parásita, que es la resistencia causada por las superficies del avión; un paracaídas que se arrastra detrás del avión contribuiría a la resistencia parásita, y todas las superficies aerodinámicas producen cierta cantidad de resistencia inducida cuando generan levantamiento).

En la parte inferior del ala, esta redirección del aire se puede explicar de manera simple: el viento relativo golpea la parte inferior y es forzado a alejarse del perfil aerodinámico por la fuerza normal del perfil aerodinámico.

En la parte superior del ala, el aire es redirigido por un fenómeno conocido como efecto Coanda, lo que resulta en un flujo laminar (el viento relativo sigue el ala y es dirigido hacia abajo por este).Describiré por qué el viento sigue este flujo laminar con mayor detalle cuando explique el segundo gran fenómeno generador de sustentación que tiene que ver con las presiones (ya que necesitará la información de esa sección para comprender el efecto Coanda)

Presión alta / baja

Hay una mayor presión de aire en la parte inferior del ala en relación con Patm (presión atmosférica ). Esto se debe a que las corrientes de aire se concentran cuando el perfil aerodinámico bloquea y redirige sus trayectorias. Una mayor concentración de aire conduce a una mayor presión.

Del mismo modo, en la parte superior de la superficie aerodinámica se evita que las corrientes de aire alcancen directamente la superficie superior del ala, creando un vacío donde hay una menor concentración de partículas de aire y, por lo tanto, presión más baja. Debido a que los fluidos fluyen naturalmente de alta a baja presión, el aire en Patm muy por encima del ala es «succionado» hacia abajo y abraza la superficie del ala. Sin embargo, incluso con este flujo laminar (como discutimos anteriormente) todavía existe una zona de baja presión en la parte superior del ala; el aire del flujo laminar todavía no es suficiente para restaurar esa región a Patm. Esto se puede encontrar mirando un mapa de presión de un perfil aerodinámico; verá que hay una región de baja presión en la parte superior del ala, incluso si El flujo laminar existe. Esta sección también debería haber respondido por qué existe el flujo laminar (consulte la última parte de la tercera ley de newton arriba).

Finalmente, debido a que tiene una presión más alta (fuerza por unidad de área) en la parte inferior del ala que en la parte superior del ala, las fuerzas en el perfil aerodinámico están desequilibradas y apuntan hacia arriba, en una dirección similar a la fuerza aerodinámica neta causada por la tercera ley de Newton (detallada arriba). Esto contribuye a la fuerza aerodinámica neta.

Debido a la menor presión en la parte superior del ala en relación con la parte inferior, el flujo de aire en la parte superior del ala se mueve más rápido que en la parte inferior, según Bernoulli » s (básicamente en una corriente de aire una disminución de la presión da como resultado un aumento de la velocidad y viceversa). diagrama de flujo en la parte superior de esta publicación. Esta puede ser la razón por la que la teoría del «tiempo igual» (que el flujo de aire en la parte superior del ala tiene más distancia para viajar, por lo que debe viajar más rápido) es tan ampliamente aceptada. El flujo de aire en la parte superior viaja más rápido, pero no porque sea una distancia más larga.

Esto también explica los «vórtices de la punta de las alas», esos vórtices de aire que se arremolinaban y que se pueden ver (bajo ciertas condiciones) detrás Las alas de un avión. Esto se debe a que el aire a alta presión de la parte inferior del ala se arremolina sobre los extremos del ala para tratar de neutralizar el área de baja presión en la parte superior (porque los fluidos tienden a viajar de alta a baja presión). aumente la presión en la parte superior del ala (y como resultado disminuya la presión en la parte inferior) un poco, reduciendo la diferencia de presión, sin embargo, dado que el avión se está moviendo, no todo el aire que viaja de abajo hacia arriba llega a su destino cuando se mueve la superficie aerodinámica fuera del camino, dejando que el aire se arremolina en un vórtice circular. Esta corriente de aire a alta presión reduce la sustentación (porque disminuye la diferencia de presión). Por eso se inventaron las aletas (las extensiones verticales de las alas en el extremo de las alas) – – para bloquear algo de esta f baja y aumenta la sustentación (y por lo tanto la eficiencia del combustible). El «efecto suelo», o el fenómeno que aumenta la sustentación cuando un avión está cerca del suelo, se debe a que el suelo se interpone en el camino del aire que intenta arremolinarse y neutralizar la baja presión en la parte superior del ala.

Comentarios finales

Un fenómeno aerodinámico más que haré relacionarse con esta explicación es un «estancamiento». Cuando un perfil aerodinámico se detiene, pierde una gran cantidad de sustentación y ya no puede contrarrestar la gravedad, lo que hace que el avión caiga en picado al suelo. Como piloto, he practicado pérdidas muchas veces y hay dos cosas notables que suceden antes de una pérdida. Una es que el avión pierde velocidad considerablemente cuando comienzas a aumentar el ángulo de ataque. En este caso, lo que está sucediendo es que la fuerza total en el ala está inclinada hacia atrás, por lo que es principalmente arrastre inducido en lugar de sustentación (hasta cierto punto, aumentar el ángulo de ataque aumenta la sustentación porque aumenta la fuerza total en el perfil aerodinámico, sin embargo, como el el ángulo obtiene una elevación extrema comienza a disminuir y la resistencia continúa aumentando). Finalmente, cuando el avión se detiene, sientes un tirón repentino hacia abajo por parte del avión, como si acabaran de cortar una cuerda que lo sujetaba.En este caso, el ala ha alcanzado su ángulo crítico de ataque y el flujo laminar en la parte superior del ala (como se detalla arriba) se ha separado (porque la presión más baja en la parte superior del ala ya no puede jalar el viento hacia abajo para cumplir con su superficie como la fuerza necesaria para cambiar el vector de velocidad del viento en ese gran ángulo no puede ser ejercida por esa diferencia de presión. Una vez que el avión se detiene, debe volver a conectar el flujo laminar al flujo de aire para «recuperarse» de la pérdida, en un plano, lo haces inclinando hacia abajo con el yugo.

En el futuro, me encantaría ampliar esta publicación con más explicaciones matemáticas sobre cómo calcular la sustentación de una superficie aerodinámica determinada, así como explorar otras cosas relacionadas como el coeficiente de sustentación, el número de Reynolds, cómo calcular el ángulo crítico de ataque y temas relacionados. Este campo generalmente está dominado por datos empíricos y entrar en algunos de ellos con algunas matemáticas complicadas es difícil pero divertido de hacer (no mencionar el camino del futuro , especialmente porque las computadoras ahora pueden procesar estos modelos matemáticos por nosotros y son mucho más rápidos en hacerlo que los experimentos).

Fuentes útiles:

1. allstar.fiu.edu/aero/airflylvl3.htm

2. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bernnew.html

3. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

4. grc.nasa.gov/www/k-12/ aeroplano / wrong2.html

5. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html

6. www.youtube.com/watch?v=YyeX6ArxCYI

Comentarios

• +1 para el gif animado, muy genial.
• Este youtube.com/watch?v=zp1KzGQdouI muestra que el movimiento / elevación es posible sin Bernoulli.

La respuesta más simple que sé que sigue siendo precisa es que para que cualquier objeto se mueva por el aire, algunos la fuerza debe empujar el aire enfrente de él fuera del camino (la gravedad, los motores, el impulso, etc.no importa er). Si se empuja más aire hacia abajo que hacia arriba (por ejemplo, con las alas), entonces la diferencia se llama sustentación.

Comentarios

• Tengo que admitir que ‘ es una explicación bastante limpia de alto nivel.
• Esto describe cuando hay un ascensor. No dice nada sobre por qué alas , en particular, lo generan.
• Amplíe la lógica y verá que las alas no tienen nada de especial. Cualquier forma puede generar elevación si las circunstancias son las adecuadas, las formas de las alas resultan ser mejores para empujar más aire hacia abajo que hacia arriba y luego, por ejemplo, un ladrillo.
• @Koyovis: la velocidad del sonido a través de un medio no tiene nada que ver con la elevación generada al empujar el medio fuera del camino. Exactamente la misma física se aplica a un perfil aerodinámico a través del agua, como los que se utilizan en las carreras de la Copa América. enlace
• @Koyovis No recibo tu pregunta. La velocidad no tiene nada que ver con eso. Se requiere una fuerza (f = ma) para mover el medio fuera del camino, esa fuerza proviene de la fuerza motriz del vehículo (motores, gravedad, etc.). El material movido hacia adelante empuja hacia atrás (arrastre) y el material empujado hacia abajo empuja hacia arriba (levantamiento).

Las alas generan elevación empujando el aire hacia abajo. Cuando era niño, solía sacar la mano por la ventanilla abierta del automóvil e inclinarla, hay una fuerza hacia arriba. Una placa plana hace esto.

Entonces, las alas de los aviones podrían ser placas planas, pero desafortunadamente las placas planas crean mucha resistencia tan pronto como crean sustentación, ya que el flujo en el extremo superior se desprende inmediatamente (espiral rizada en la imagen de arriba). Este efecto podría reducirse utilizando una placa curvada en lugar de una placa plana, reduciendo el vórtice en la superficie superior:

Pero el problema sigue siendo que tan pronto como la placa curvada se inclina más, crea mucho arrastre, de la misma manera que la placa plana recta . Una forma de gota de agua es más eficiente en el arrastre que una placa plana, al mantener el flujo unido. ¿Y qué es una sección transversal de ala que no sea una placa arqueada con una sección transversal de gota de agua?

Se vuelve un poco confuso y todo cuando miramos el aire acelerado en la parte superior y la presión más baja, etc., especialmente si queremos explicar la creación de elevación a partir de eso. En última instancia, la sustentación se crea acelerando el aire hacia abajo, y la continuidad de la masa implica que el aire en la parte superior debe acelerar. Es un efecto más que una causa.

Comentarios

• La placa plana es más eficiente en su ángulo de ataque de diseño. Hacer el perfil aerodinámico más grueso aumenta la resistencia, pero amplía el rango del ángulo de ataque en el que funciona bien.
• @PeterK ä mpf Te entendí, lo cambié.

Aquí hay un enlace al libro web de John S. Denker sobre superficies aerodinámicas. Esta es probablemente la explicación definitiva de cómo funcionan las alas. John Denker tiene un montón de sitios web que vale la pena visitar.

http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

En pocas palabras: para que un avión de 150.000 libras permanezca en el aire, debe impartir 150.000 lbft de impulso al aire a través del cual pasa. Se puede hablar de las diferencias de presión del aire (etc.), pero eso es sólo el comienzo de la explicación. Si cree que el tiempo de tránsito igual o la curvatura del ala es lo que hace que las alas funcionen, esta es una lectura obligada.

Comentarios

• Estaba literalmente en el en medio de la lectura de ese enlace cuando lo publicaste. Es una gran lectura, estoy de acuerdo :).

Una forma sencilla de entenderlo es que el ala actúa como una pala en un ventilador. Moverse por el aire en el ángulo correcto hace que se forme un vacío en la parte superior. La punta frontal debe ser redonda para permitir que el aire se mueva suavemente y se expanda para crear el vacío.

Los fondos planos y otras formas simplemente maximizan este efecto, pero no son necesarios. Por eso es posible volar boca abajo siempre que el ala golpee el aire en el ángulo correcto. (No en ángulo recto.)

Comentarios

• menor presión, sí, pero sugiriendo que un » vacío » formas está bastante mal.
• @Federico Bueno, no es un vacío real. Supongo que debería decir un vacío relativo.
• La punta frontal no ‘ realmente necesita ser redonda para generar elevación. El enlace de BillOer ‘ explica por qué. Si fuera así, los aviones de papel, las cometas y algunos tipos de planeadores no ‘ volarían.
• @DanHulme No ‘ Tampoco dice que es un ingrediente del levantamiento sino que es necesario para evitar un flujo de aire errático.

Actualización : vea los experimentos propios sobre el flujo en la parte inferior de esta publicación

Soy un periodista científico independiente, investigué mucho sobre los mitos y las explicaciones falsas sobre la elevación y esta explicación es el resultado:

El problema. Como sabemos, el principio de generación de sustentación en general y el efecto Magnus se entienden erróneamente y se explican como falsos en muchas fuentes. velocidad alrededor de una protuberancia de la superficie aerodinámica (o una esfera / cilindro giratorio en el caso del efecto Magnus) y la baja presión relacionada (efecto Bernoulli) no es la causa de la sustentación como se indica a menudo, pero solo ayuda a la generación de sustentación porque es una aceleración del aire. Sin embargo, sigue siendo un factor importante en el mecanismo de elevación porque es parte de la fuerza de elevación (Fuerza = Masa x Aceleración ). Esta aceleración adicional debida al aumento de la velocidad del flujo se puede agregar a la aceleración normal que está involucrada con la fuerza que hace que un flujo gire.

La verdadera causa . También se acepta generalmente que la causa real de la elevación es aire que gira hacia abajo por el ángulo o la forma del perfil aerodinámico y esta fuerza provoca una fuerza en la dirección opuesta, como explica, entre otros, la NASA. Sin embargo, el mecanismo aún no está claro para muchas personas. Intento dar un poco más de información con algunos experimentos y ejemplos muy fáciles de desarrollo personal que son fáciles de entender. (ver también este demostración en video ). Sabemos que para hacer girar un flujo, se requiere una fuerza, por lo que cuanto mayor es la deflexión, mayor es la fuerza. Un giro es en realidad una aceleración. Durante el giro debe haber una fuerza igual en la dirección opuesta (tercera ley de Newton). Ésta es la elevación real del perfil aerodinámico. Está claro que un cierto radio de giro del flujo (acción) da como resultado un radio igual de la fuerza opuesta (reacción). Es importante entender que la reacción del perfil aerodinámico sobre el flujo de aire acelerado es causada por la interacción de la superficie del perfil aerodinámico con la capa límite.

Centro de Presión. La clave para crear acción = reacción en la superficie aerodinámica es la viscosidad del aire, ya que sin que el aire se pegue menos o más a la superficie aerodinámica, la interacción necesaria no sucedería. las fuerzas actúan en todas partes en la superficie aerodinámica, pero el centro de presión (CP) ocurre allí donde la deflexión promedio es la más grande, por lo que también existe la acción más grande = punto de reacción. Este es el punto donde la fuerza de sustentación actúa sobre la superficie aerodinámica. Podemos comprobar esto fácilmente con los flaps desplegados.Los flaps provocan una mayor desviación del aire en el borde de fuga, por lo que el centro de presión se mueve más hacia el borde de fuga que sin flaps.

The Real Fuerza de sustentación. A medida que el aire se desvía hacia abajo, el aire ejerce una fuerza en la dirección opuesta, lo que significa que se suma a la presión en la parte inferior del ala con el resultado de un vector más grande en la dirección ascendente. Pero en la parte superior del ala ahora tenemos un vector más pequeño a medida que se reduce la presión porque aquí hay una deducción de la presión causada por la fuerza en la dirección hacia arriba. El resultado es una fuerza neta hacia arriba. Esta reducción de la presión vertical es la fuerza de elevación real.

Resumiendo: Tenemos una presión tangencial relativamente baja reducción (que actúa en la dirección del flujo) que es la parte de Bernoulli y es la parte de aceleración de la fuerza de elevación. Y tenemos una enorme reducción de presión vertical que es la parte newtoniana de la fuerza de sustentación que en realidad hace que la superficie aerodinámica se mueva hacia arriba y que determina en qué parte de la superficie aerodinámica se encuentra el centro de presión y dónde actúa la fuerza de sustentación resultante. La mayor parte de la presión que vemos en una figura de isobaras de un perfil aerodinámico es vertical y solo una pequeña es tangencial. Esto corresponde a mediciones anteriores de aerodinámicos de que la reducción de presión en la dirección del flujo (Bernoulli) no corresponde a la elevación generada real. Para comprender la relación entre la reducción de la presión en la dirección del flujo y la reducción de la presión en la dirección vertical, tenga en cuenta que la deflexión de un flujo para crear sustentación siempre va acompañada de una gradiente de presión , por lo que si el flujo se acelera por encima de la superficie aerodinámica y baja la presión (principio de Bernoulli) y luego se gira hacia abajo para crear una fuerza ascendente, el flujo se desacelera y la presión aumenta. Este aumento de presión en la parte superior de la superficie aerodinámica es insignificante en comparación con la disminución de presión en la parte superior causada por el aire que se acelera hacia abajo, por lo que la superficie aerodinámica se mueve hacia arriba y tenemos sustentación.

Un ejemplo más. Imagina un ala de placa plana volando con un ángulo de ataque cero con en el borde de fuga un flap que apunta hacia abajo. Imagina solo el flujo de aire en la parte superior de esta ala. No hay aceleración ni disminución de la presión relacionada con el flujo, ya que el flujo no pasa ningún obstáculo. Simplemente encuentra un gradiente de presión adverso cuando se mueve sobre la aleta hacia abajo porque hay una disminución en la velocidad del flujo, por lo que un aumentar la presión del flujo (Bernoulli). Pero a medida que el flujo se desvía hacia abajo, una fuerza en dirección opuesta actúa al mismo tiempo y, por lo tanto, en la parte superior lado hay una presión mucho, mucho más importante disminución (porque la fuerza en la dirección hacia arriba trabaja en contra de la presión ambiental proveniente de arriba). Esta disminución en la presión causada por la acción «vertical» es la real fuerza de elevación.

Actualización : Experimentos propios en Flow Turning. El 26 de septiembre de 2018, durante el flujo personal Experimentos de prueba de giro con dispositivos de ala voladora de cartón desarrollados por mí mismo, encontré pruebas sólidas para una teoría que había sospechado durante mucho tiempo. Esto implica la importancia de la distancia de giro del flujo en relación con la inclinación del giro. Explicado brevemente: La distancia de giro parece más importante que el ángulo de giro. Al lanzar el ala, y al estimar la ubicación del centro de presión, el lado con el giro más largo siempre lo gana desde el lado con el giro más pronunciado, sin importar la orientación del ala.

Los resultados de la prueba:

–Curva corta y empinada que apunta hacia abajo en la parte delantera, larga curva menos pronunciada en la parte posterior que apunta hacia arriba. > Resultado: impulso positivo, la nariz se mueve hacia arriba. Este es el efecto de la curva en la parte posterior como una curva predominante que apunta hacia abajo en la parte delantera generar un momento de morro hacia abajo ya que este sería un ángulo de ataque negativo.

– Curva larga menos empinada apuntando hacia arriba en el frente, curva corta empinada en la parte trasera apuntando hacia abajo . > Resultado: impulso positivo, la nariz se mueve hacia arriba. Este es el efecto de la curva larga y menos empinada en el frente, ya que este es un ángulo de ataque positivo.

Los resultados de mis hallazgos corresponden al hecho de que el flujo gira en el borde de ataque de un perfil aerodinámico es en realidad el más grande, mientras que no está creando el mayor impulso.Sin embargo, el giro hacia el borde de fuga después del punto de comba máxima es más largo, gana, por lo que crea el impulso CP. Sin embargo, parece lógico que en una batalla entre dos curvas de la misma longitud, la curva con el ángulo más pronunciado gane.

Uno de mis dispositivos de desarrollo propio para hacer experimentos con elevación, giro de flujo y centro de presión: El demostrador FWSCLm (Estabilidad del ala voladora & movimiento CL) . El bolígrafo de la parte delantera se puede mover hacia adentro y hacia afuera para regular el centro de gravedad. Las aletas en la parte posterior se utilizan para aumentar o disminuir la curvatura del perfil del ala con el fin de regular el centro de sustentación. vista lateral

Comentarios

• Realmente te escucho acerca de los votos negativos sin comentarios, pero si te quedas con esto, mucho se aprenderá sobre esto. sitio. De hecho, su ala se ve como los elevadores lentos y altos que se encuentran en Airfoil Tools en la red. También he descubierto que las alas delgadas y arqueadas hacen que los planeadores de balsa sean deliciosamente lentos (velocidad al caminar). Puede encontrar que las alas más delgadas son mejores para la penetración del viento (menos resistencia). Las comparaciones de alas de águila y albatros pueden brindar una buena perspectiva sobre el diseño del ala.
• Gracias por sus comentarios sobre el ala. El perfil de alta sustentación del ala gruesa se diseñó para pruebas particulares en giros de flujo para ver un efecto reforzado en vuelos cortos. Como dijiste, más delgado es mejor por menos arrastre. También tengo una versión de placa plana curva de esta vela con curva flexible. Aquí lo ves en acción. El video muestra la corrección automática de tono: vimeo.com/…
• Recomendar también estudiando velas, particularmente la vela de foque. » La aceleración » de aire a través de la parte superior del ala es una tontería. El aire tampoco es un » fluido «, es un gas compresible. El giro fluido está relacionado con la baja presión en la parte superior del ala. El gran Coanda se dio cuenta de que el flujo de aire desviado crea una baja local que el ala (arriba) y la corriente de aire (abajo) intentan llenar.
• Sin embargo, no podemos olvidar » viscoso » efecto del aire en movimiento (o agua) que arrastra el aire circundante hacia la corriente. Un simple aspirador superior del fregadero crea un fuerte vacío. La fuerza de elevación también se crea cuando la corriente de aire golpea una superficie en ángulo (parte inferior del ala). Hay más de una fuente de sustentación. Sigo tratando de entender cuál es más EFICIENTE. Puede ser la elevación sobre la parte superior del perfil aerodinámico, ya que cubrir la parte inferior del ala parece hacer que mis planeadores vayan más rápido y más lejos.
• Y finalmente, los efectos de la embestida de aire (mayor presión) debajo del ala presente alas subcambiadas (nota » cubiertas » puntas de ala de U2) y paracaídas. Creo que esto es más lento e ineficiente, ¡pero puede hacer que las velocidades de vuelo sean muy lentas!

¿Cómo genera una bola pequeña fuerza centrípeta cuando se mueve? en una superficie curva? La razón es la gravedad. Cuando la bola pequeña tiene una velocidad a lo largo de la flecha roja, la bola pequeña tiene tendencia a salir a lo largo de la dirección normal de la superficie, por lo que la fuerza de la bola pequeña sobre la superficie curva se reducirá, por lo tanto la fuerza centrípeta de la Se obtendrá una bola que se mueve a lo largo de la superficie.

Cambiamos las pequeñas bolas de la superficie en aire. Cuando el aire no se mueve, suponga que la fuerza del aire sobre la superficie curva es F, y cuando el aire tiene una velocidad en la dirección de la flecha roja, la fuerza del aire sobre la superficie curva es f, porque el aire tiene una tendencia a salir a lo largo de la dirección normal de la superficie curva, por lo que F> f. Entonces, el aire tiene una fuerza centrípeta que se mueve a lo largo de una superficie curva, lo que hace que el aire se mueva a lo largo de una superficie curva.

La fuerza que ejerce el aire sobre la superficie curva es la presión del aire. Una disminución en la presión del aire es una disminución en la fuerza ejercida por el aire sobre una superficie curva.

La superficie curva aquí es similar a la del ala.

Comentarios

• No ‘ estoy de acuerdo con esta respuesta. La mención de la gravedad solo dificulta las cosas, ya que la gente puede pensar que la gravedad está involucrada en la creación de la sustentación. Una mejor imagen tendría la bola viajando en línea recta y chocando con la superficie curva. Esto evita la necesidad de la gravedad y mejora la analogía con un perfil aerodinámico. Además, si no hay curvatura, la presión también disminuye, lo que no ‘ t muestra de su explicación.
• @ROIMaison Tenga en cuenta que para el aire, ‘ hablo de la tendencia de movimiento normal, que conduce a una disminución de la presión.
• @ ROIMaison aviation.stackexchange.com/a/70283/42162

La sustentación es una fuerza generada a través de un ala debido a la Diferencia de presión . Entonces, básicamente, si eres capaz de lograr una presión diferente por encima y por debajo de un ala, tendrías sustentación. Ahora, a partir de la ley básica de Newton, esta fuerza se dirigiría desde la región de alta presión a la región de baja presión ( Porque la región de alta presión empujará la superficie ejerciendo más fuerza sobre ella en comparación con la región de baja presión que empujaría la superficie con una fuerza relativamente menor).

Ahora, lo importante es crear esta diferencia de presión. Esto se logra explotando una propiedad interesante del fluido: un fluido de flujo rápido tiene una presión más baja en comparación con un fluido de movimiento lento. Esta propiedad se puede probar por varios medios matemáticos y se incorpora maravillosamente en el El principio de Bernoulli . Por lo tanto, el El principio de Bernoulli es matemático expresión de una propiedad inherente de un fluido.

Ahora, para obtener sustentación, se puede crear la diferencia de presión requerida al tener un flujo alrededor del perfil aerodinámico de tal manera que las velocidades del fluido por debajo y por encima del perfil aerodinámico son diferentes. Esto se logra cambiando la forma del ala (Camber) de tal manera que se vuelve asimétrica. La asimetría provoca diferentes velocidades en la parte superior e inferior del perfil aerodinámico debido a la siguiente razón:

Cuando un fluido alcanza el borde de ataque del perfil aerodinámico, una parte del fluido se desplaza hacia arriba, mientras que se desplaza hacia abajo. Debido a la asimetría del perfil aerodinámico, el fluido que se ha movido hacia arriba tiene menos área de sección transversal para moverse en comparación con el fluido que pasó por debajo del perfil aerodinámico. Esta diferencia en el área disponible para que el fluido se mueva crea la diferencia en las velocidades del fluido en diferentes regiones. Esta propiedad del fluido de moverse más rápido en áreas de menor sección transversal y de moverse lentamente en áreas de mayor sección transversal se puede derivar en forma matemática mediante la aplicación de la conservación de masa, y se denomina Principio de Continuidad .

Por lo tanto, las velocidades de fluido cambiadas crean un gradiente de presión que a su vez provoca una fuerza en el ala, que se llama sustentación. Ahora bien, esta sustentación puede ser en cualquier dirección (lo que podría descubrirse integrando fuerzas muy pequeñas en áreas muy pequeñas de la superficie del ala). El componente de esta fuerza perpendicular a la dirección de la velocidad de la aeronave se denomina levantar fuerza, mientras que el otro componente paralelo al La velocidad del avión se incluye en la drag fuerza.

EDIT

Para una representación muy precisa de las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los fluidos, se puede argumentar que el Principio de Bernoulli es incorrecto. En este caso de que la ecuación de Navier Stoke sea válida, pero para fines de comprensión, cualquier invariante en el tiempo (estable), en invariante comprimible se puede considerar que obedece la ecuación de Bernoulli.

Además, para un fluido real, no obedecería la ecuación de Bernoulli la mayoría de las veces, pero el comportamiento general de la reducción de presión con el aumento de la velocidad del flujo aún se observa, aunque la caída de presión exacta no se puede calcular mediante la ecuación de Bernoulli. En tales casos, la ecuación de Navier Stoke se utiliza para calcular correctamente la caída de presión creada debido al aumento de la velocidad del flujo.

EDIT 2

Para alas simétricas, el ala no generará ninguna sustentación si el flujo ve el ala simétricamente, por lo que inherentemente significa que un ala simétrica con 0 ángulo de ataque no producir cualquier elevación. Para obtener sustentación de un ala simétrica, se coloca en algún ángulo con el flujo, de modo que el flujo lo vea «asimétricamente» y, por lo tanto, la explicación anterior se puede utilizar para explicar la vida generada en este caso.

EDIT 3

Explicación para aviones que vuelan boca abajo: para que un avión normal vuele , se necesita un ángulo de ataque positivo. Si se da a este plano un eje de velocidad de giro de 180 grados, se obtiene un plano con un ángulo de ataque -ve y, por lo tanto, una sustentación negativa.Pero un avión no puede sostener el vuelo con sustentación negativa, por lo que lo que los aviones que vuelan al revés deben hacer es aumentar el ángulo de ataque -ve a positivo, tirando de la nariz hacia arriba (eso sería empujar la nariz hacia el cielo en una posición ascendente). plano abajo). Esto hace que el ángulo de ataque cambie y se vuelva + ve. El ángulo de ataque + ve significa que el ala ahora experimentará una vida tal que un plano invertido tendrá una elevación hacia arriba (esto es equivalente a un plano normal con un ángulo de ataque – cinco y, por lo tanto, una elevación negativa).

Comentarios

• Esto no ‘ t explica por qué un ala sin comba o una con un una sección transversal simétrica de arriba a abajo, o una con una superficie inferior más larga que la superficie superior, puede generar elevación.
• @DanHulme +1 o cómo los aviones con comba pueden volar boca abajo.
• @Jan Hudec, debe comprender la diferencia entre el principio de Bernoulli ‘ y la ecuación. El teorema establece: » En dinámica de fluidos, el principio de Bernoulli ‘ establece que para un flujo no viscoso de un fluido no conductor, un aumento en la La velocidad del fluido ocurre simultáneamente con una disminución en la presión o una disminución en la energía potencial del fluido ‘ s. » donde como la ecuación, por otro lado, trató de obtener resultados cuantitativos del principio de bernoulli ‘ s, pero no lo logró debido al hecho de que predice resultados incorrectos
• ESTA RESPUESTA ES INCORRECTA . La ecuación de Bernoulli ‘ se mantiene con suficiente precisión alrededor del ala. Pero la ecuación de Bernoulli ‘ necesita velocidad para derivar la presión y la explicación de por qué hay una velocidad más alta por encima del ala es incorrecta. El área por encima y por debajo del ala no está delimitada, por lo que el aire tiene mucha libertad para elegir la ‘ s distribución de velocidad. Tampoco coincide con la realidad, porque el área aumenta por encima del ala de adelante hacia atrás y disminuye debajo del ala de manera similar, pero las distribuciones de velocidad no ‘ siguen un perfil similar.
• La respuesta es incorrecta solo si ignora los efectos de la capa límite

Un plano vuela por varios mecanismos. El primero es el efecto Bernoulli causado por la curvatura del ala que genera una presión diferencial que empuja el ala hacia arriba a medida que avanza por el aire. Tenga en cuenta que las aves tienen alas arqueadas. Sin embargo, es posible tener un avión con alas completamente planas y sin comba en absoluto, por lo que es un error pensar que esta es la única fuente de sustentación (como lo han hecho algunas de las respuestas anteriores).

El ángulo en la raíz del ala también es importante. Si saca la mano en ángulo por la ventana del automóvil, la sentirá forzada hacia arriba. Este mismo efecto se logra en un avión inclinando las alas ligeramente hacia arriba en relación con el plano del fuselaje.

Por último, debe tener en cuenta que la razón por la que un avión permanece en el aire no tiene nada que ver con la sustentación, sino con la superficie que presenta al suelo. La fuerza principal que sostiene un avión es la resistencia del aire, que es función de esta superficie. La fuerza de esta resistencia del aire es mucho mayor que la fuerza generada por los dos efectos anteriores. Por ejemplo, un criterio de diseño importante para un avión es si tiene un fuselaje cuadrado o un fuselaje redondo / ovalado. Un fuselaje cuadrado presentará más superficie al suelo, por lo que tendrá una mayor eficiencia para mantenerse en vuelo. Por esta razón, casi todos los primeros aviones tenían fuselajes cuadrados. Sin embargo, un fuselaje redondo será más eficiente moviéndose hacia adelante que uno cuadrado, por lo que en un avión construido para la velocidad, es mejor circular. Un avión con un fuselaje redondo va más rápido, pero consume menos combustible que uno con un fuselaje cuadrado.

El mismo argumento es válido para el área del ala. Cuanto más grande sea el ala, más resistencia al aire. Por esta razón, los planeadores tienen alas relativamente grandes en comparación con los aviones propulsados. El inconveniente de un ala grande es el mismo que el de un fuselaje cuadrado: el avión va más lento.

Entonces, para recapitular, hay tres factores que mantienen un avión en el aire: la resistencia vertical del aire debido a la orientación hacia abajo. área de superficie, el ángulo de las alas en la raíz del ala y el efecto Bernoulli asociado con la comba en las alas.

Comentarios

• Párrafo 3 hace que me duela la cabeza … no es que el resto sea mucho mejor. Con el ánimo de señalar cosas específicas que se pueden abordar, intente esto: para un cuadrado y un círculo de la misma área, el círculo tendrá un diámetro mayor que el cuadrado ‘ s lateral, por lo tanto, un fuselaje circular del mismo volumen interno presentará más, no menos, superficie proyectada en el suelo, por todo el bien (poco a cero) que le hará a su avión.