https://www.youtube.com/watch?v=ZFMO1myS2H0

Bernoulli? Tal vez, pero Qu pasa con la viscosidad?

Peter EastwellCiencia Tiempo Educacin, Queensland, Australiaadmin@ScienceTime.com.au

Abstracto

El principio de Bernoulli est siendo mal entendido y por lo tanto un mal uso. Este documento aclara los temas involucrados, plantea la hiptesis de cmo ha surgido esta lamentable situacin, ofrece explicaciones racionales para muchos fenmenos cotidianos relacionados con el aire en movimiento, y hace recomendaciones asociadas para la enseanza de laefectos de los fluidos en movimiento.

"En todos los asuntos, es una cosa sana ahora y despus de colgar un signo de interrogacin en las cosas que ha tomado mucho por sentado." Bertrand Russell

Hace poco me preguntaron para ensear el principio de Bernoulli a una clase de estudiantes de primaria superior porque, como el director me dijo que ella no se senta que tena una comprensin suficiente del concepto. Si bien durante mis 20 aos como profesor de ciencias secundaria que nunca haba necesitado para ensear este tema, y por lo tanto pensar profundamente sobre ello, desde mi lectura general que estaba al tanto de la existencia de una gran cantidad de fenmenos interesantes y cotidianas que involucran aire en movimiento que haba sido se explica en trminos deBernoulli. Pens que probablemente podra hacer un buen trabajo de ensear que, fcilmente acept la invitacin, y con entusiasmo comenc la bsqueda de ideas para lecciones.

Sin embargo, como he ledo y cuestion, rpidamente me encontr a mi entusiasmo inicial siendo reemplazada por la confusin y la incredulidad. Me encontr a m mismo constantemente preguntando ", pero por qu debera ser as?", Y pensando en la lnea de una nueva forma de afn amaneci "pero seguramente eso no puede ser el caso?"; el afn de comprender mejor las cuestiones en juego. Era necesaria una investigacin ms profunda, pero para mi sorpresa, me encontr con la literatura plagada por la fsica y la lgica incorrecta engaosa. En este artculo, comparto mis deliberaciones.

Un ejemplo tpico

Considere la situacin representada en la Figura 1, donde una tira de papel que cuelga sobre un dedo adopta una forma curva. Cuando se sopla aire a travs de la parte superior del papel, como se muestra, la parte de la curva de papel que es libre de moverse se elevar. Una explicacin tpica para esta observacin es que la presin del aire que se mueve a lo largo de la superficie superior del papel es menor que la presin del aire estacionario debajo de la tira de papel y, como resultado, la tira de papel experimenta una fuerza neta hacia arriba; lo cual est bien. Dicha diferencia de presin se justifica habitualmente, sobre la base del principio de Bernoulli, por las declaraciones tales como "cuando los barridos de aire a travs de una superficie a alta velocidad se baja la presin en esa superficie" ("Estacin de Bernoulli", 1989, p. 308) o "como la velocidad de un lquido mvil aumenta, lapresin en el interior del lquido disminuye "(Mitchell, nd, 1), o se da a entender sobre esta base (por ejemplo, Brusca,1986b). Este razonamiento de la diferencia de presin, que se encuentra no slo en los escritos populares, sino tambin en especialista, revistas (por ejemplo, consulta Bauman y Schwaneberg, 1994; Holmes, 1996), es un error.

Flujo de aireRegin de presin reducida

Horizontal

Aerodinamizar

Subidas de papel

Papel curvado

Figura 1. El soplar aire a travs de la parte superior de un objeto curvo.

Como mostrar, el aire no tiene una presin lateral reducida (o la presin esttica, como lo veremosse puede llamar) simplemente porque se mueva, la presin esttica del aire libre no disminuye como la velocidad del aire aumenta, se malentendido principio de Bernoulli para sugerir que esto es lo que nos dice, y el comportamiento de la curva papel se explica por el razonamiento que no sea el principio de Bernoulli. Demostrando lo confuso, confundido, y simplemente errnea la literatura puede ser, incluso nos encontramos Denker (2005b) afirma que sopla a travs de la parte superior del papel como enFigura 1 no har que se eleve. Slo puedo suponer que Denker, o bien no soplaba bastante fuerte y / o que el papel utilizado era demasiado pesado para la velocidad de soplado utilizado.Presin esttica y la velocidad

Vamos a usar un par de maneras de disipar el mito de que los movimientos de aire ms rpidos a lo largo de una superficie, menos se empuja en esa superficie. En primer lugar, Weltner y Ingelman-Sundberg (1999a) muestran cmo un manmetro sensible puede ser construido fcilmente para investigar esta situacin experimentalmente, como se muestra en la Figura 2. El extremo del manmetro comprende un disco delgado con un pequeo agujero en l, conectado a un tubo de . Cuando se coloca en el aire estacionario, el manmetro lee la presin atmosfrica. Luego, una corriente de aire libre se hace fluir a travs de la superficie de la placa, y el manmetro utilizado para medir la presin del aire en movimiento.

Aire Papelera(Presin atmosfrica)Pequea abertura

Flujo de aire

AgilizaDisco delgado

Tubo fino

Para manmetro de lquido

Figura 2. Uso de un manmetro para medir la presin esttica.

Para aclarar, la presin del aire que se mueve en realidad se puede medir de diferentes maneras. La presin esttica de una corriente es la presin medida por un manmetro que se mueve con el flujo, y es tambin la presin en la superficie de un plano paralelo al flujo, como en la figura 2. Si nos vamos a girar esta placa de manmetro 90 en sentido antihorario , de manera que el aire se colisionando con la superficie de la placa, tendramos medir la presin de impacto (o RAM), que es diferente. Como acotacin al margen, los textos elementales en general no abordan esta diferencia entre la presin esttica y el impacto de manera explcita y por lo tanto pierden la oportunidad de aclarar lo que es una fuente comn de confusin (Martin, 1983). Es la presin esttica que nos interesa aqu, y cuando se lleva a cabo este experimento, Weltner y Ingelman-Sundberg (1999a) aseguran que la presin esttica del aire en movimiento es siempre la presin atmosfrica, independientemente de la velocidad del aire en movimiento.

Babinsky (2003) sugiere que este resultado puede ser demostrado por la celebracin de una tira de papel de modo que cuelgue recta y vertical hacia abajo, soplando aire verticalmente hacia abajo a lo largo de un lado del papel, y tomando nota de que el papel no se mueve. Sin embargo, dudo que esto es una prueba vlida, ya que cualquier tendencia del papel se doble hacia la corriente de aire que se traducira en el documento de experimentar algn impacto directo desde el aire en movimiento (es decir, un efecto debido al impacto de presin), por lo tanto, el cambio de la situacin que est tratando de ser estudiado (es decir, cambios en la presin esttica solamente).

Este resultado tambin tiene sentido tericamente. Desde vectores perpendiculares son independientes, cualquier fuerza neta que cambia el movimiento de las partculas de aire en una direccin (por ejemplo, acelera el aire) no tendr ningn efecto sobre la velocidad de estas partculas en una direccin perpendicular.

Aquellos que tratan de justificar la nocin errnea de que el libre movimiento de aire tiene menor presin esttica, por lo tanto se han fijado todo un reto. La nica manera de explicar algo que es falso es utilizar un razonamiento falso, como en los siguientes ejemplos. Uno encuentra el argumento de que, cuando el aire se mueva en una direccin, las partculas de alguna manera estn tan ocupados con el movimiento en esa direccin que ahora ya no tienen tiempo para empujar tan duro lateralmente (por ejemplo, Niven, 1999). Esta idea podra ser intuitiva para algunos, pero no tiene ninguna base en la ciencia.

Mitchell (2003) usa la analoga de los nios en movimiento. Una sala llena de nios (que representan las partculas de aire) corriendo y chocando con bastante fuerza, con tanto entre s y las paredes, representa una situacin de alta presin. Sin embargo, cuando se les pide a estos mismos nios a correr por un pasillo (simulando el movimiento del aire a granel), las colisiones son mucho ms suave (es decir, la presin es menor.) Esta analoga no es vlido, porque los estudiantes corriendo por el pasillo tienen perdido su movimiento lateral, que las partculas de aire no lo hacen despus de aire mayor comienza a moverse. Los giros, vueltas, evasiones y fsica incorrectas en las respuestas de Brusca (Brusca, 1986a, 1987) a las crticas al contenido de su artculo anterior de los lectores (Brusca, 1986b) demuestran cun tenaz que podemos ser, sin embargo, en "colgando de "ideas para mal.

Principio de Bernoulli

Para distinguir entre situaciones en las que el principio de Bernoulli hace, y no, dar una explicacin adecuada de los fenmenos cotidianos relacionados con el aire en movimiento, debemos primero revisamos qu principio de Bernoulli nos dice. Considere la Figura 3, que representa fluido en movimiento a lo largo de racionaliza en un tubo horizontal de la variacin de rea de seccin transversal. El flujo tiene que ser estable, no viscoso, y incompresible. (Tambin tiene que ser irrotacional, pero esto no nos necesita preocuparse para el presentepropsitos.) flujo constante significa que, en un punto determinado en la corriente, la velocidad del fluido que pasa no cambia con el tiempo. Viscosidad en el movimiento del fluido es anloga a la friccin en el movimiento de los slidos, donde las fuerzas tangenciales entre las capas de fluido en los resultados de movimiento relativos en la disipacin de energa mecnica.

Agiliza

El flujo de fluido A

La presin ms altaBaja presin

Figura 3. fluido en movimiento a travs de un tubo de cambio de rea de seccin transversal.

Para la continuidad del flujo, como el fluido se mueve de izquierda a derecha en la Figura 3 se debe acelerar, porque el mismo volumen de las necesidades de lquido se mueva a travs de un rea de seccin transversal ms pequea por unidad de tiempo.Tomemos, por ejemplo, un pequeo volumen de fluido en el punto A. Qu est causando este volumen para acelerar hacia la derecha? Tiene que haber una fuerza neta hacia la derecha, y esta fuerza es proporcionado por un diferencial de presin esttica en el lquido; es decir, la presin justo a la izquierda de A debe ser mayor que la presin justo a la derecha de ella. Por lo tanto, si la presin cae a lo largo de una lnea de corriente, la velocidad de los aumentos de flujo. Lo contrario tambin es verdad (es decir, el fluido ms rpido en movimiento tendr una menor presin esttica), pero el primero parece una declaracin preferido porque expresa la causa y el efecto, y el uso generalizado de la forma inversa, probablemente, ha sido una fuente de gran parte malentendido. As, los gradientes de presin provocan fluidos para acelerar. Tenga en cuenta tambin que, en la Figura 3, las lneas de corriente ms estrechamente espaciados indican la presin esttica inferior y una mayor velocidad de fluido.

El principio de Bernoulli tambin puede considerarse una expresin de la ley de conservacin de la energa. Con ninguna energa que se aade a, o tomada de, el fluido por una influencia externa, el principio de Bernoulli se refiere a las relaciones internas en un fluido. La suma de la energa cintica (representada por la velocidad del fluido) y la energa potencial (como se representa por presin) permanece constante. Cualquier disminucin en la presin esttica debe estar asociado con un aumento en la energa cintica (y viceversa). (Tenga en cuenta que para los propsitos actuales, mediante la restriccin de la discusin al flujo de fluido horizontal, podemos omitir la consideracin de cualquier cambio en la energa potencial gravitatoria de un fluido.)

En contextos cotidianos, fenmenos Bernoulli tpicamente involucran fluidos en movimiento en una constriccin, como en la Figura 3. Por ejemplo, apretar un tubo flexible desde lados opuestos y lo liberan. Siempre que el flujo es suficientemente fuerte, la constriccin se mantendr, incluso si la manguera normalmente primavera de nuevo a su forma normal, debido a la presin atmosfrica fuera de la manguera es mayor que la presin esttica reducida de fluido a travs de la constriccin. Otras aplicaciones del principio de Bernoulli son el tubo de Venturi, de Pitot, carburador, bomba de inyeccin, inyectores de extincin de incendios y extintores de espuma, que sopla a travs de un embudo que contiene una bola de ping-pong y encontrar que la pelota estno forzado del embudo, que sopla a travs del agujero en un carrete de algodn con una tarjeta plana a travs del borde opuesto y la observacin de que la tarjeta "se pega" al carrete, y observando cmo dos botes de remos paralelos entre s que se mueven en la misma direccin son empujados uno hacia el otro. Experimento un efecto similar en la carretera cuando mi vehculo remolcando una carroza de caballos est siendo superado por ungran camin con laterales cerrados, como el aire delante de nosotros se ve obligado a moverse a travs del estrecho espacio entre los vehculos y mi unidad se empuja hacia el camin!

Arrastre

Volviendo a la situacin de la Figura 1, se puede ahora preguntarse cmo es aplicable el principio de Bernoulli es la hora de explicar el comportamiento observado. El aire que fluye puede ser considerado incompresible porque, a menos que la velocidad del aire est cerca de, o por encima de, la velocidad del sonido, la densidad de mover cambios de aire muy pequeos con la velocidad (Bauman y Schwaneberg, 1994; Denker, 2005a; Resnick & Halliday, 1966) .Sin embargo, esto es lo ms lejos que las similitudes entre las situaciones en las Figuras 1 y 3 va.

En la Figura 1, el efecto de la viscosidad es importante. En un gas como el aire, la viscosidad es causada prcticamente en su totalidad por las colisiones entre las partculas de aire (en lugar de la atraccin entre ellos debido a fuerzas de Van der Waals, que pueden ser ignorados) (Field, nd). Al otro lado del papel (en relacin con la persona que sopla el aire), la corriente de aire barrer aire desde el aire quieto adyacente, dandola altura de la regin de presin reducida se muestra. La friccin se dijo para arrastrar el aire adyacente, en un proceso conocido como arrastre, y dos cosas siguen. Debido a que la presin de aire por debajo de la curva de papel es mayor que la presin justo por encima de l, el papel ser empujado hacia arriba.Del mismo modo, las partculas de aire en movimiento a lo largo de la lnea de corriente se muestra ser empujado hacia abajo (es decir, la lnea de corriente ser desviado hacia abajo), porque la presin esttica en el flujo de aire por encima de la lnea de corriente ser mayor que la presin en la regin empobrecido debajo de ella. (Tenga en cuenta que, si bien, porclaridad, una menor racionalicen slo se ha dibujado en la Figura 1, que adems lneas de corriente se puede extraer por encima y por debajo de ella).

Una explicacin basada en el principio de Bernoulli no es aplicable a esta situacin, porque este principio no tiene nada que decir acerca de la interaccin de las masas de aire que tienen diferentes velocidades (es decir, flujo viscoso, que se traduce en la turbulencia, donde la velocidad de paso de fluido en cualquier punto particular en la corriente vara con el tiempo). Asimismo, si bien el principio de Bernoulli nos permite comparar las velocidades y presiones de fluido a lo largo de una nica lnea de corriente y, como lo haremos ms tarde, cuando se considera el comportamiento de los perfiles aerodinmicos, a lo largo de dos lneas de corriente diferentes que se originan en condiciones fluidas idnticos, utilizando el principio de Bernoulli para comparar el aire por encima y por debajo de la curva de papel en la Figura 1 no tiene sentido; en este caso, no hay lneas de corriente en absoluto por debajo del papel!

Por lo tanto, cuando se mueve el aire interacta con un objeto, tal como un plano curvo, la viscosidad hace que las regiones de diferentes presiones para dar como resultado, y este concepto se puede utilizar para explicar muchos otros fenmenos cotidianos que incluyen lo siguiente:

Tenga cuidado con el colapso del tnel de papel cuando se sopla aire a travs del tnel. Utilizar una pajita para soplar aire cerca de una llama de la vela y observar la curva de la llama hacia la corriente de aire. Mantenga una tira de papel de modo que cuelgue recta y vertical hacia abajo, utilice una pajita para soplar aire verticalmente hacia abajo un poco de distancia de la tira, y tenga en cuenta que esta vez el papel se mueve hacia el aire en movimiento. Sople a travs de tocar las pginas de un libro para separarlos. Ser frustrado, mientras conduce, por la facilidad con un trozo de papel situada cerca de una ventana abierta se "volar" por la ventana. (De manera similar, es importante que el agujero en el disco delgado que forma el extremo del manmetro en la Figura 1 no es demasiado grande.) Observe el movimiento ascendente de un paraguas en el viento fuerte. Suspender una pelota de ping-pong o una pelota de playa en una corriente de aire o levitar un M & M por encima de su boca. Demostrar el funcionamiento de un evaporador de pie un tramo corto de la paja en un lquido, utilizar otra paja para soplar a travs de la abertura de la pajita ms corta, y ver la salida del lquido en esta paja.

Has estado alguna vez irritado, al ducharse, por la cortina de la ducha se mueve continuamente hacia usted? Era un tema que haba sido "en el fondo de mi mente" durante muchos aos, debido al hecho de que se mantiene "apareciendo" en la literatura de vez en cuando, aunque cada vez acompaado por lo que ahora creo que fue un parcial el tratamiento solo de las variables que intervienen; lo que probablemente explica por qu segua apareciendo. Hasta hace poco, sin embargo, nunca haba estado en una posicin para investigar experimentalmente. Mientras viajaba en un lugar remoto, la bomba de combustible en el coche dej de funcionar y me encontr teniendo alojamiento no programada mientras esperaba por una nueva bomba para llegar. Yo no estaba muy contento de tener mi regreso a casa retrasado de esta forma, sin embargo, hasta que vi la ducha siempre; El sueo de este investigador! La puesta a punto permitido por el efecto de las variables que me interesaban a investigar, porque poda cambiar la distancia entre la ducha y la cortina (que por lo general no es posible en las duchas), la altura de la cortina de la planta (el cortina necesita estar libre para girar), y la temperatura del agua. De acuerdo con la descripcin anterior de la incorporacin de aire, el agua fra de streaming a una distancia moderada de la cortina caus la cortina se mueva hacia el interior. Tambin, como se esperaba, con la corriente de al lado, o demasiado lejos (es decir, demasiado lejos como para tener ninguna influencia en absoluto) de la cortina producido tal movimiento. Luego, con el agua que fluye de nuevo una distancia moderada de la cortina y la cortina que hace pivotar hacia dentro, he cambiado al agua caliente y not una mayor desviacin hacia dentro de la cortina. Esteefecto adicional parece ser debido a la conveccin del aire, con el aire en el espacio de la ducha de ser calentada por el agua, que tiene su densidad disminuye, y por lo tanto el aire ascendente como fra entra desde fuera por debajo de la parte inferior de la cortina. Bartlett (1996) inform de la observacin de un efecto usando agua caliente, pero no de fro, as que slo puedo concluir que l no tena la corriente fra de la ducha a una distancia apropiada de la cortina.

El efecto Coanda

Volvamos a la figura 1 y modificar la situacin ligeramente sustituyendo la tira de papel curvado con un objeto curvo que no se puede enderezar, tal como la superficie exterior de un pie, una botella de refresco de plstico, ahora se ve desde arriba. El aire en movimiento volver a ser desviado y comenzar a seguir la superficie de la botella (ms tarde separar de ella con el aumento de la turbulencia). La botella tambin experimentar una fuerza neta en la direccin opuesta y, si est descansando sobre una superficie resbaladiza, podra comenzar a deslizarse. Sin embargo, si la superficie no es tan bruscamente curvada, como en el caso de un perfil aerodinmico, el aire en movimiento no se separa de la superficie, siguiendo as la forma geomtrica de la superficie. Esta tendencia de un fluido para seguir la forma de un obstculo, como resultado de arrastre, que se llama el efecto Coanda.

La flexin de aire alrededor de un objeto de esta manera se observa fcilmente en la horca, una estrecha franja de papel fuera de la vista detrs del borde de un pie, una botella de refresco de plstico, con una pajita para soplar aire a travs del borde de la botella, y la observacin de la tira de papel detrs de la medida botella. Curiosamente, ni el arrastre ni el efecto Coanda, conceptos fundamentales para la comprensin de muchos fenmenos cotidianos, se encuentran tpicamente en la literatura comn tratar el tema. Parece que, en comparacin con Henri-Marie Coanda (1885-1972), Daniel Bernoulli (1700-1782) se ha beneficiado de una mejor "mquina publicitaria"! Adems, la demostracin de uso comn del efecto Coanda, en el que se observa una corriente de agua que cae verticalmente desde un grifo para doblar a lo largo de la superficie de una cuchara curvada (por ejemplo, Raskin, 2005) es inadecuado, porque las fuerzas de adhesin entre las partculas de agua y la cuchara son responsables de la deflexin en esta situacin.

Ahora que entendemos por qu soplar aire al lado de una botella de plstico de pie puede hacer que se mueva, vamos a ir un paso ms all y se destacan dos de estas botellas de lado a lado y soplar aire a travs de la constriccin entre ellos. Dependiendo de cmo resbaladiza la superficie sobre la que las botellas estn de pie es, las botellas o bien se diapositiva o derrocar a uno hacia el otro. Sin embargo, se requiere un esfuerzo mucho menos soplado para obtener el movimiento botella cuando dos botellas estn tan acostumbrados en lugar de una sola. Con dos botellas, tanto en el arrastre y el principio de Bernoulli parecen estar en el trabajo de forma simultnea, por lo que en lugar de proporcionar explicaciones alternativas para la situacin de dos botellas, segn lo sugerido por Swartz (2003) en relacin con una situacin anloga usando bolas de bolos, estos dos efectos se refuerzan uno del otro. Por esta razn, tambin es no slo fcil de perder el papel por la ventana de un coche en movimiento, pero an ms fcil cuando una gran cara cerrada camin, est superando al mismo tiempo.

El Aerofoil

Cmo funciona. Volviendo a la figura 1, vamos a darle el objeto curvo una curvatura ms suave (para garantizar la no separacin de flujo) y consideran que es representar un perfil aerodinmico, con lo que nos obliga a tener tambin el aire que fluye, de izquierda a derecha, bajo el perfil aerodinmico. Este aire que se mueve por debajo de la superficie sustentadora se chocan eficazmente con la superficie inferior, empujando el perfil aerodinmico hacia arriba, y no hay otra opcin para el aire que se mueve en s que sea desviado hacia abajo. Anteriormente, hemos comprendido cmo el aire que se mueve sobre la parte superior del perfil aerodinmico tiene el mismo efecto; es decir, haciendo que el perfil aerodinmico a aumentar con el aire que est siendo desviado hacia abajo. La combinacin de estos dos efectos de refuerzo y tenemos una explicacin para el ascensor de un perfil aerodinmico.El hecho de que el perfil aerodinmico de la figura 1 es una muy delgada no debe ser motivo de preocupacin, porque palas delgadas funcionan bien, como se ha demostrado por el vuelo de los pjaros y la eficacia de las membranas delgadas, de tela utilizados para las velas de los barcos. En la prctica, para la resistencia estructural de las alas de unaeronave necesita una seccin transversal ms ancha, como se muestra en la Figura 4, que tambin representa el patrn general de lneas de corriente alrededor de un perfil aerodinmico tpico. Sin embargo, los principios generales que explican ascensor siguen siendo los mismos que para un perfil aerodinmico delgado, tambin se aplica a cosas como timones, hlices, remos y palas de helicptero.

Agiliza

Flujo de aire

Superficie sustentadora

Figura 4. Patrn general de lneas de corriente alrededor de un perfil aerodinmico.

Me parece la explicacin anterior para la elevacin del perfil aerodinmico satisfactorio, porque razona a partir de primeros principios. En otras palabras, si algo cambia su movimiento, me gusta saber lo que est haciendo el empuje y / o tirando, y cmo se est haciendo, y eso es lo que se ha proporcionado. Al mismo tiempo, hay otras formas ms abstractas para describir sustentacin aerodinmica, y ahora tendr en cuenta dos. Si bien los considero ms descripciones que explicaciones, son ninguno de los de menos valor ya que aportan caractersticas adicionales para la discusin. Tambin no son alternativas, sino simplemente diferentes y compatibles formas de pensar sobre el mismo fenmeno.

Una perspectiva newtoniana. La tercera ley de Newton nos dice que por cada accin hay una reaccin igual y opuesta. Por lo tanto, en un sentido general, si un aire fuerzas de perfil aerodinmico hacia abajo (tanto el aire que se mueve a travs de la parte superior del perfil aerodinmico y el aire que se mueve a travs de la parte inferior), el aire desva debe empujar el perfil aerodinmico hacia arriba. Como se muestra en la Figura 4, para pequeos ngulos de ataque (es decir, pequeos ngulos entre donde un perfil aerodinmico est apuntando y donde va), las lneas de corriente adoptan una forma general que sigue a la forma geomtrica del perfil aerodinmico (es decir, una lnea trazada a travs el medio de la seccin transversal del perfil aerodinmico). De ello se desprende que, en un diagrama como el de la Figura 4, esimposible para las lneas de corriente a tienen la misma direccin (por ejemplo, ser horizontal) tanto en frente de, y detrs, el perfil aerodinmico, como comnmente se representa en los libros de texto (Smith, 1972). Segn Beatty (1996), la superficie superior de un ala de avin tpico desva ms aire que la superficie inferior, y as contribuye ms a la ascensor. Fumigacin aeronaves hacer un buen uso de esta corriente descendente, inyectar aerosol en l y enviar el spray hacia abajo en lugar de tener que rastro detrs.

El principio de Bernoulli. El principio de Bernoulli se puede utilizar para describir el flujo de aire en la Figura 4, aunque no en la forma falaz encontrado tan comnmente en la literatura que ser discutida en la siguiente seccin. En la Figura 4, el flujo es constante, las fuerzas de friccin se puede despreciar, y, ya que las velocidades de aviacin general son alrededor de Mach 0,2 o 0,3, el aire puede ser considerado incompresible. Esalgo interesante que, mientras que las fuerzas de friccin son insignificantes (desde el punto de vista del principio de Bernoulli ser aplicable al flujo de prcticamente todo el aire, puesto que la capa lmite de aire - la capa entre la superficie del perfil aerodinmico y el aire que fluye como una fluido ideal, a la que no se aplicar el principio de Bernoulli - es relativamente muy delgado y despreciable), sin ellos el aire que se mueve sobre la parte superior del perfil aerodinmico no sera desviado hacia abajo y por lo tanto no contribuye a levantar.

La presin esttica del aire a la izquierda del diagrama en la Figura 4 es la presin atmosfrica. Al seguir las lneas de corriente de izquierda a derecha, nos damos cuenta de que las lneas por encima del perfil aerodinmico ms estrechamente espaciadas, lo que indica (como hemos sealado anteriormente) menor presin esttica y una mayor velocidad de aire. Por el contrario, las lneas de corriente bajo el perfil aerodinmico se separan un poco, lo que indica una mayor presin esttica y baja velocidad del aire. Esta diferencia de presin por encima y por debajo de la superficie aerodinmica produce ascensor y, segn lo confirmado por las fotografas de tnel de viento que utilizan pulsos de humo en las corrientes de aire (Beatty, nd; Weltner y Ingelman-Sundberg, 1999b), aire realmente tiene menos tiempo para moverse a travs de la parte superior de un perfil aerodinmico (es decir, desde el borde de ataque hasta el borde de salida) que se mueva a travs de la parte inferior de la misma.

Hay otra forma de pensar en el principio de Bernoulli aplicar al flujo de aire en la Figura 4. Al seguir las lneas de corriente en la parte superior del perfil aerodinmico, notamos que se doblan hacia abajo. Qu podra estar causando una desviacin tal? Hemos visto anteriormente cmo un gradiente de presin provocar un fluido para acelerar o reducir la velocidad, pero un gradiente de presin (al igual que una fuerza neta) tambin puede causar algo para cambiar de direccin. La razn de que cada racionalizar encima de las curvas de perfil aerodinmico hacia abajo es que la presin esttica encima de cada lnea de corriente es mayor que la presin por debajo de ella. Muy por encima del perfil aerodinmico, la presin es la presin atmosfrica. As, a medida que avanzamos en esta regin hacia la superficie superior del perfil aerodinmico a lo largo de la lnea de puntos muestra en la Figura 4, la presin esttica debe ser continuamente disminuyendo. Por consiguiente, la presin esttica del aire en la superficie superior de la seccin aerodinmica debe ser inferior a la presin atmosfrica. Si ahora seguimos una lnea de corriente en la parte superior del perfil aerodinmico, vemos que comienza, a la izquierda de la figura 4, en una regin donde la presin esttica es la presin atmosfrica y se mueve en una regin de menor presin esttica. De acuerdo con el principio de Bernoulli, el aire debe acelerar. Un anlisis similar puede realizarse para las lneas de corriente bajo el perfil aerodinmico, que se doblan hacia abajo. Muy por debajo de la superficie aerodinmica, la presin esttica ser la presin atmosfrica y, a medida que avanzamos a lo largo de la lnea de puntos hacia la superficie inferior del perfil aerodinmico, la presin esttica debe aumentar. Aire en movimiento bajo el perfil aerodinmico, por lo tanto se mover desde una regin de presin atmosfrica a una regin de presin esttica ms alta y, de acuerdo con el principio de Bernoulli, debe reducir la velocidad. Por lo tanto, al igual que en el prrafo anterior, la velocidad del aire por encima de la superficie sustentadora es mayor que la velocidad a continuacin.

Si bien el principio de Bernoulli est en el trabajo en la Figura 4, que est funcionando ms en un sentido secundario que en el sentido de proporcionar una explicacin para la elevacin aerodinmica de los primeros principios. El anlisis en el prrafo anterior tambin se puede aplicar a los casos anteriores de la Figura 1 que implica el papel curvado y una botella de refresco de plstico, pero opt por no hacerlo antes en un intento de evitar una complicacin innecesaria en ese momento.

Algunas falacias. Ahora estamos en condiciones de apreciar cmo principio de Bernoulli 'se ha utilizado de manera inapropiada, en gran parte de la literatura, en relacin con perfiles aerodinmicos. Segn Weltner y Ingelman-Sundberg (1999b), el origen de la explicacin incorrecta clsico se puede remontar a un informe 1921 por Prandtl. Si el principio de Bernoulli era dar cuenta de sustentacin aerodinmica, una razn haba que encontrar por qu la superficie superior de un perfil aerodinmico experiencias reduce la presin. Lo que se necesitaba era, pues, una causa de aumento de la velocidad del aire por encima de un perfil aerodinmico, porque el principio de Bernoulli equivale mayor velocidad de fluido con menor presin esttica. As, la explicacin clsica es algo como esto:Debido a la continuidad del flujo, dos pequeas parcelas adyacentes de aire, que comienzan en el borde delantero de un perfil aerodinmico y se trasladan a la parte de atrs, uno a travs de la superficie superior del perfil aerodinmico y el otro a travs de la superficie inferior, deben llegar al borde de salida en el mismo instante en el tiempo. Debido a que el perfil aerodinmico es curvada hacia arriba, la parcela de aire en movimiento a travs de la superficie superior tiene una distancia mayor para viajar, por lo que debe viajar ms rpido.

Esta explicacin es atractiva porque es simple, rpida y predice correctamente. Sin embargo, estambin un ejemplo de cmo dos errores pueden hacer que un derecho, y es tan satisfactorio como la simplificacin de 16/64 por la cancelacin de la 6 en el numerador y el denominador y llegar a la respuesta correcta; ("Did you Know?" 2005).

Falacia 1: Aire lleva el mismo momento de pasar a travs de la parte superior de un perfil aerodinmico como en la parte inferior. Durante el uso de trminos como "continuidad de flujo" para apoyar dicha afirmacin puede sonar autoritario, no hay ninguna razn de por qu debera ser el caso. Continuidad de flujo (por ejemplo, la nocin de que, en un tubo de variar el rea de la seccin transversal, el mismo volumen de fluido debe moverse a travs de cualquier seccin transversal por unidad de tiempo) es un principio cientfico reconocido, pero se aplica tal como se utiliza anteriormente en este documento a situaciones como la de la Figura 3 en lugar de fluir alrededor de un perfil aerodinmico. Adems, como se mencion anteriormente, los experimentos en tnel de viento muestran claramente que una parcela de aire que se mueve a travs de la parte superior de un perfil aerodinmico llega al borde de salida ante una parcela inicialmente adyacente de aire que se mueve a travs de la parte inferior.

Falacia 2: La distancia a travs de la parte superior de un perfil aerodinmico debe ser mayor que la distancia a travs de la parte inferior. O bien, un perfil aerodinmico debe ser curvo en la parte superior y planos Aerofoils debajo necesita proporcionar ascensor, y puede tomar una variedad de formas. Muchos no tienen diferencia de longitud entre la rutasuperficies superior e inferior, como en perfiles aerodinmicos que son (es decir, curvado) superior e inferior) y simtrica delgado y curvo, o convexo; incluso delgada, arqueada, y simtrica. Algunos ejemplos son los primeros aviones, cometas, alas delta, velas, aviones acrobticos y planeadores de balsa de goma con motor. Algunos perfiles aerodinmicos que hacen tienen una diferencia de camino puede volar al revs. Los "supercrticas" diseos de alas de la NASA son planas en la parte superior y ms curvada debajo (Beatty, 1996). Incluso una "puerta del granero" planavolar, aunque, debido a que el aire no puede fluir suavemente sobre la superficie superior (porque el punto en la parte superior es demasiado fuerte), se separa de la superficie y, debido al arrastre, produce unregin de aire turbulento, la reduccin de la presin detrs del ala que reduce la elevacin y aumenta la resistencia. De hecho, dado un ngulo adecuado de ataque, de cualquier forma que causa lneas de corriente a la curva hacia abajo puede generar ascensor. La forma del perfil aerodinmico tpico se muestra en la Figura 4 slo pasa a ser muy eficaz en hacer esto, al mismo tiempo cambiando la velocidad del aire (es decir, el flujo de aire por encima de la superficie sustentadora es ms rpido que por debajo de ella).

Stall y casas techos. Mientras que un mayor ngulo de ataque desviar una corriente de aire ms y por lo tanto producir una mayor elevacin, demasiado alto un ngulo y el aire que fluye separar las superficies sustentadoras de una aeronave, similar al comportamiento granero puertas mencionadas en el prrafo anterior. El avin de repente puede perder sustentacin suficiente y comienzan a caer, y se dice que se han estancado (Nave, sf). Este trmino no debe interpretarse en el sentido de que el motor ha dejado de funcionar, ni que la aeronave no sigue avanzando, y los pilotos estn entrenados para corregir la parada. En lugar de crear ascensor, el diseo de las formas de las alas de los aviones es ms acerca de cmo evitar la parada. Por una razn similar, marineros cualificados necesitan para mantener el flujo de aire a travs de una vela sin problemas para evitar separada flujo, la turbulencia y arrastre.

Esta consideracin de flujo separado se puede aplicar a viento que sopla a travs de un tejado de la casa de pico, como se representa en la Figura 5. El turbulento, regin de menor presin detrs del pico permite que el aire dentro de la casa (que est a una presin ms alta, la presin atmosfrica) para causar una fuerza neta hacia arriba en esta parte de la cubierta detrs del pico. Para protegerse contra la prdida de la cubierta, se podra reducir el flujode aire sobre el techo con la apertura de las puertas delanteras y traseras y / o ventanas, aunque no tendr que haber un equilibrio con la cantidad de dao que el viento a travs de la casa podra causar. Sin embargo, este es un debate muy superficial y limitada del efecto del viento sobre un techo porque, por ejemplo, en la prctica la presencia de aleros y voladizos en realidad puede resultar en una mayor elevacin que est viviendo el lado de barlovento de un techo que el lado de sotavento (Rowe, 2003).

Viento

Turbulencia

TechoFuerza neta en el techo

Figura 5. El viento que sopla a travs de un tejado de la casa.

Complejidades. El comportamiento de las alas de los aviones reales en tres dimensiones, que en realidad producen un lavado descendente vrtice, es complicado, y no tenemos soluciones matemticas simples para explicar el apego de flujo y turbulencia. Todava hay mucho que aprender sobre la aerodinmica, y los conceptos involucrados siguen siendo discutido. Heisenberg (1901-1976), el clebre fsico alemn y premio Nobel, fue supuestamente esperando a pedirle a Dios cmo funciona la turbulencia despus de su muerte.

Conclusiones y Recomendaciones

El principio de Bernoulli ha sido, y contina siendo, mal entendido y mal utilizado. Por qu es este el caso, y por qu tienen explicaciones Bernoulli incorrectas sobrevivido durante tanto tiempo en la literatura? Ofrezco las siguientes razones posibles:

explicaciones de Bernoulli simplificada son rpidos, suena lgico, y hacer predicciones correctas.Como Brusca (1986b) dijo con una sensacin de satisfaccin, la prediccin es "totalmente de acuerdo con lo que ocurre en la prctica" (Pg. 15). Esto sera fabuloso si no fuera por el hecho de que estas explicaciones tambin se equivocan! Declaraciones como "como la velocidad de un lquido mvil aumenta, la presin dentro del fluido disminuye" facilitar un malentendido del principio de Bernoulli y, cuando se utiliza en un sentido radical y, por tanto, fuera de contexto, se equivocan.

Agradecimientos

Referencias

(1989).

Sabas? (2005).

Fsica. Nueva York: John Wiley & Sons.