¿Cómo generan sustentación las alas?

Para llegar al fondo de esto, podría ayudar mirar el ascensor a nivel molecular:

Cada molécula de aire se encuentra en un equilibrio dinámico entre efectos inerciales, de presión y viscosos:

• Inercial significa que la masa de la partícula quiere seguir viajando 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 rebote, más fuerza ejercen sobre su entorno.
• Viscosidad significa que las moléculas de aire, debido a esta oscilación, tienden a asumir la velocidad y dirección de sus vecinas.

Flujo sobre el lado superior del ala

Ahora al flujo de aire: cuando un ala se acerca a una velocidad subsónica, el área de baja presión sobre su superficie superior aspirará aire delante de ella. Véalo de esta manera: arriba y abajo de un paquete de aire tenemos menos rebote de moléculas (= menos presión), y ahora el rebote constante del aire debajo y 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 su 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 hacer espacio para esa ala; en flujo supersónicose desacelerará con el mismo propósito. Una vez allí, "verá" que el ala debajo de él se curva alejándose de su ruta de viaje, y si esa ruta permaneciera sin cambios, se formaría un vacío entre el ala y nuestro paquete de aire. De mala gana, el paquete cambiará de rumbo y seguirá el contorno del ala. Esto requiere una presión aún más baja para que las moléculas cambien de dirección. Este aire de flujo rápido y baja presión, a su vez, aspirará aire nuevo por delante y por debajo, desacelerará y recuperará su antigua presión sobre la mitad trasera del ala, y fluirá con su nueva dirección de flujo.

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

Flujo sobre el lado inferior del ala

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

Detrás del ala, ambos paquetes continuarán su camino hacia abajo por 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 por encima de 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.

El ascensor se puede explicar de varias formas equivalentes.

Siguiendo la imagen de un campo de presión descrito anteriormente, la sustentación es la diferencia de presión entre la superficie superior e inferior del ala. Las moléculas rebotan contra la piel del ala más en el lado inferior que en el superior, y la diferencia es la sustentación.

O mira la imagen macroscópica: una cierta masa de aire ha sido acelerada hacia abajo por el ala, y esto requirió que una fuerza actuara sobre ese aire. Esta fuerza es lo que mantiene el avión en el aire: Ascensión.

Si ve el ala como una caja negra y solo presta atención al impulso del aire que entra y sale, el ala cambiará el impulso añadiendo un componente hacia abajo. La fuerza de reacción de este cambio de impulso es sustentación.

De cualquier manera, llegarás 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!

Ascensor es una cuestión de definición

Tanto la sustentación como 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. La componente a lo largo de la corriente es la resistencia y la componente ortogonal a la dirección del movimiento es la sustentación. Esta es solo una definición, hecha para simplificar.

Respuesta corta: ejerciendo una fuerza hacia abajo sobre el aire que los rodea.

Respuesta larga: algunas personas de divulgación en el Centro de Investigación Glenn de la NASA han escrito una muy buena explicación de varias páginas, que trata individualmente cada efecto contribuyente, así como una discusión sobre por qué las explicaciones que podría haber escuchado en la escuela no funcionan. Dado que la navegación allí es un poco complicada, 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, existe una fuerza global. Puede usar la ecuación de Bernoulli para calcular esta fuerza, pero necesita saber la velocidad del fluido (en cada punto del ala) para comenzar. No puedes simplemente explicarlo con "el efecto Bernoulli", porque el efecto Bernoulli se aplica tanto a cualquier cosa que se mueva por el aire.

Ascensor desde el giro de flujo

Ambas superficies del ala giran 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 al ala). El giro del flujo es lo que te da elevación en lugar de solo arrastre. Puede considerar el giro como la fuente de la diferencia de presión en el efecto Bernoulli, o puede considerarlo simplemente en términos de fuerzas iguales y opuestas.

Hay otra forma de modelar el giro del flujo, que no se discute en el sitio de la NASA. Si has 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 superficie superior se encuentra con el aire que vino por la parte inferior (pero no el 'mismo' aire: vea la teoría incorrecta #1 a continuación). Estos dos puntos se denominan puntos de estancamiento . En un objeto normal, están al 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 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 de aire es hacia abajo. De ahí viene el giro del flujo, y el teorema te permite calcular cuánto ascensor obtienes.

Teoría incorrecta n.º 1: tiempo de tránsito igual

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

Teoría incorrecta #2: Saltar piedras

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

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 contraerlo). Esta diferencia de velocidad daría lugar a una diferencia de presión (efecto Bernoulli de nuevo), pero resulta que el ala no funciona en absoluto como una tobera.

Bernoulli y Newton

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

CÓMO UN AVIÓN GENERA ASCENSOR

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 3ra 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 "alta/baja presión" son correctas hasta cierto punto. La NASA reconoce esto (ver la segunda referencia a continuación) en su artículo, sin embargo, su explicación final se centra mucho más en la aplicación matemática y menos en una explicación física.

3ra 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 por el 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 dirección opuesta (hacia arriba y más o menos perpendicular a la línea de la cuerda); esta fuerza aerodinámica neta hacia arriba explica la sustentación y la resistencia inducida (resistencia causada por los procesos de elevación de la superficie aerodinámica, que no debe confundirse con la resistencia parásita, que es la resistencia provocada por las superficies del avión);

En la parte inferior del ala, esta redirección del aire se puede explicar de forma sencilla. El viento relativo golpea el fondo 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 al ala y es dirigido hacia abajo por ella). 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 presión de aire más alta 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 caminos. Una mayor concentración de aire conduce a una mayor presión.

Del mismo modo, en la parte superior del perfil aerodinámico, se evita que las corrientes de aire lleguen directamente a la superficie superior del ala, creando un vacío donde hay una menor concentración de partículas de aire y, por lo tanto, una 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 existe un flujo laminar. Esta sección también debería haber respondido por qué existe el flujo laminar (ver 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 aerodinámica neta. fuerza 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, de acuerdo con la ecuación de Bernoulli (básicamente, en una corriente de aire, una disminución de la presión da como resultado un aumento de la velocidad y viceversa) -- Vea el diagrama de flujo en la parte superior de esta publicación. Esta puede ser la razón por la cual la teoría del "tiempo igual" (que el flujo de aire en la parte superior del ala tiene más distancia para viajar, por lo que tiene que 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 punta de ala", esos vórtices de aire que se arremolinan y que se pueden ver (bajo ciertas condiciones) detrás de 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). Aumentan un poco la presión en la parte superior del ala (y, como resultado, disminuyen la presión en la parte inferior), lo que reduce 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 como superficie aerodinámica. se aparta, dejando que el aire se arremoline en un vórtice circular. Esta corriente de aire a alta presión reduce la sustentación (porque disminuye la diferencia de presión). Esta es la razón por la que se inventaron los winglets (las extensiones verticales del ala en el extremo de las alas), para bloquear parte de este flujo y aumentar 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

Otro fenómeno aerodinámico que relacionaré con esta explicación es un "bloqueo". 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 entradas en pérdida muchas veces y hay dos cosas notables que suceden antes de entrar en pérdida. Una es que el avión pierde velocidad aerodinámica considerablemente a medida que aumenta el ángulo de ataque. En este caso, lo que sucede es que la fuerza total sobre el ala se inclina hacia atrás, por lo que es mayormente resistencia inducida en lugar de sustentación (hasta cierto punto, aumentar el ángulo de ataque aumenta la sustentación porque aumenta la fuerza total sobre el perfil aerodinámico, sin embargo, a medida que el el ángulo se vuelve extremo, la sustentación comienza a disminuir y la resistencia sigue aumentando). Finalmente, cuando el avión entra en pérdida, se siente un tirón repentino hacia abajo por parte del avión, como si se acabara de cortar una cuerda que lo sostiene. 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 empujar el viento hacia abajo para adaptarse a 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 entra en pérdida, debe volver a conectar el flujo laminar al flujo de aire para "recuperarse" de la pérdida: en un avión haz esto echando abajo con el yugo.

En el futuro, me encantaría ampliar esta publicación con más explicaciones matemáticas sobre cómo calcular la sustentación de un perfil aerodinámico determinado, 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 (sin mencionar el camino del futuro, especialmente porque las computadoras ahora pueden procesar estos modelos matemáticos para nosotros y son mucho más rápidos). al hacerlo de lo que pueden ser 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/airplane/wrong2.html

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

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

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

Las alas generan sustentación empujando el aire hacia abajo. Cuando era niño, solía sacar la mano por la ventanilla abierta del coche y la inclinaba: hay una fuerza hacia arriba. Una placa plana hace esto.

Por lo tanto, las alas de los aviones podrían ser placas planas, pero desafortunadamente las placas planas generan mucha resistencia tan pronto como crean sustentación, ya que el flujo en el extremo superior se separa de inmediato (espiral rizada en la imagen de arriba). Este efecto podría reducirse usando una placa combada en lugar de una placa plana, reduciendo el vórtice en la superficie superior:

Pero el problema sigue siendo que tan pronto como la placa combada se inclina más, crea mucha resistencia, 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 combada con una sección transversal de gota de agua?

Se vuelve un poco confuso cuando observamos la aceleración del aire en la parte superior y la presión más baja, etc., especialmente si queremos explicar la creación de sustentación 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.

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 lb permanezca en el aire, debe impartir 150 000 lbft de impulso al aire a través del cual pasa. Puede hablar sobre las diferencias de presión de aire (etc.), pero eso es solo 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.

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 delantera 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. Esta es la razón por la que es posible volar boca abajo siempre que el ala golpee el aire en el ángulo correcto. (No en ángulo recto).

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

Soy un periodista científico independiente, investigué mucho sobre mitos y explicaciones falsas sobre el ascensor y esta explicación es el resultado:

El problema. Como sabemos, el principio de la generación de sustentación en general y el efecto Magnus es mal entendido y explicado como falso en muchas fuentes. La alta velocidad de flujo alrededor de una protuberancia 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 afirma a menudo, sino que solo ayuda a la generación de sustentación porque es una aceleración del aire. Sin embargo, sigue siendo un factor importante en el mecanismo de sustentación porque es parte de la fuerza de sustentación (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 el flujo gire.

La verdadera causa. También se acepta generalmente que la causa real de la sustentación es el 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 lo 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 de desarrollo propio muy sencillos y ejemplos que son fáciles de entender. (ver también este video de demostración). Sabemos que para girar un flujo, se requiere una fuerza, por lo que cuanto mayor sea la desviación, mayor será 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). Esta es la sustentación real en el 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 comprender que la reacción del perfil aerodinámico en 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 el perfil aerodinámico es la viscosidad del aire, ya que si el aire no se pegara más o menos al perfil aerodinámico, no se produciría la interacción necesaria. Estas fuerzas actúan en todas partes del perfil aerodinámico, excepto en el centro de presión (CP). ocurre allí donde la desviación promedio es la más grande, por lo que también hay el punto de acción = reacción más grande. Este es el punto donde la fuerza de sustentación actúa sobre el perfil aerodinámico. Podemos verificar esto fácilmente con flaps desplegados. Los flaps provocan una mayor desviación del aire en el borde de salida, por lo que el centro de presión se mueve más hacia el borde de salida que sin flaps.

La verdadera 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 hacia arriba. Pero en el lado 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 disminución de la presión vertical es la verdadera fuerza de sustentación.

Resumiendo: Tenemos una reducción de presión tangencial relativamente baja (que actúa en la dirección del flujo) que es la parte de Bernoulli y es la parte de aceleración de la fuerza de sustentación. Y tenemos una gran reducción de presión vertical que es la parte newtoniana de la fuerza de sustentación que en realidad hace que el perfil aerodinámico se mueva hacia arriba y que determina en qué parte del perfil aerodinámico se ubica 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 realizadas por aerodinámicos de que la reducción de presión en la dirección del flujo (Bernoulli) no corresponde a la sustentación generada real.Para comprender la relación entre la reducción de presión en la dirección del flujo y la reducción de presión en la dirección vertical, tenga en cuenta que la desviación de un flujo para crear sustentación siempre va acompañada de un gradiente de presión , por lo que si el flujo se acelera por encima del perfil aerodinámico y disminuye 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 el lado superior del perfil aerodinámico es insignificante en comparación con la disminución de la presión en el lado superior causada por el aire que se acelera hacia abajo, por lo tanto, el perfil aerodinámico se mueve hacia arriba y tenemos sustentación.

Un ejemplo más. Imagine un ala de placa plana volando con un ángulo de ataque cero con un borde de fuga que apunta hacia abajo. Imagine solo el flujo de aire en el lado superior de esta ala. No hay aceleración ni disminución de la presión relacionada con el flujo, ya que el flujo no pasa por 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 tanto, un aumento en 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 el lado superior hay una disminución de presión mucho, mucho más importante.(porque la fuerza en la dirección hacia arriba trabaja en contra de la presión ambiental que viene de arriba). Esta disminución de la presión provocada por la acción 'vertical' es la fuerza de sustentación real .

Actualización : Experimentos propios sobre el giro de flujo. El 26 de septiembre de 2018, durante los experimentos de prueba de giro de flujo personal con dispositivos de alas voladoras de cartón de desarrollo propio, encontré pruebas sólidas de 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 ganó 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, curva larga menos empinada en la parte trasera que apunta hacia arriba.> Resultado: impulso positivo, la nariz se mueve hacia arriba. Este es el efecto de la curva en la parte trasera como una curva predominante que apunta hacia abajo en la parte delantera. generaría un momento de morro hacia abajo ya que sería un ángulo de ataque negativo.

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

Los resultados de mis hallazgos corresponden al hecho de que el flujo que gira en el borde de ataque de un perfil aerodinámico es realmente el más grande mientras que no crea el mayor impulso. Sin embargo, el giro hacia el borde de fuga después del punto de máxima inclinación 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, gane la curva con el ángulo más pronunciado.

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

¿Cómo genera una pequeña bola una fuerza centrípeta cuando se mueve sobre 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 en 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 bola pequeña se obtendrá la bola moviéndose a lo largo de la superficie.

Cambiamos las bolitas de la superficie por 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 ejercida por 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 al ala.

La sustentación es una fuerza generada a través de un ala debido a la diferencia de presión . Entonces, básicamente, si puede lograr una presión diferente por encima y por debajo de un ala, tendría sustentación. Ahora, según 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 al ejercer más fuerza sobre ella en comparación con la región de baja presión). 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 que fluye rápido tiene una presión más baja en comparación con un fluido que se mueve lentamente. Esta propiedad se puede probar por varios medios matemáticos y está hermosamente incorporada en el Principio de Bernoulli . Por lo tanto , el Principio de Bernoulli es una expresión matemática de una propiedad inherente de un fluido.

Ahora, para obtener sustentación, la diferencia de presión requerida puede crearse teniendo un flujo alrededor del perfil aerodinámico de tal manera que las velocidades del fluido por debajo y por encima del perfil aerodinámico sean diferentes. Esto se logra cambiando la forma del ala (camber) de tal manera que se vuelva 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 de la superficie aerodinámica, una parte del fluido se desplaza hacia arriba, mientras que otra parte 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 el movimiento del fluido 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 moverse lentamente en áreas de mayor sección transversal puede derivarse en forma matemática mediante la aplicación de la conservación de la masa, y se denomina Principio de Continuidad .

Por lo tanto, las velocidades de fluido modificadas crean un gradiente de presión que, a su vez, provoca una fuerza en el ala, que se denomina sustentación. Ahora, esta sustentación puede estar en cualquier dirección (lo que podría averiguarse integrando fuerzas muy pequeñas en áreas muy pequeñas en la superficie del ala). La componente de esta fuerza perpendicular a la dirección de la velocidad del avión se denomina fuerza de sustentación , mientras que la otra componente paralela a la velocidad del avión se incluye en la fuerza de arrastre .

EDITAR

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, la ecuación de Navier Stoke es válida, pero para fines de comprensión, se puede considerar que cualquier flujo invariable en el tiempo (estable), en un flujo comprimible e invisible obedece a la ecuación de Bernoulli.

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

EDITAR 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 produciría ninguna sustentación. 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 usar para explicar la vida generada en este caso.

EDITAR 3

Explicación para aviones que vuelan boca abajo: para que un avión normal vuele, se necesita un ángulo de ataque positivo. Dale a este avión un giro del eje de velocidad de 180 grados, obtienes un avión con un ángulo de ataque -ve y, por lo tanto, una sustentación negativa. Pero un avión no puede mantener el vuelo con sustentación negativa, por lo que lo que deben hacer los aviones que vuelan al revés es aumentar el ángulo de ataque -ve a positivo, levantando el morro (eso sería empujar el morro hacia el cielo en un vuelo al revés). plano inferior). 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 tiene sustentación en dirección hacia arriba (esto es equivalente a un avión normal con un ángulo de ataque -ve y, por lo tanto, sustentación negativa).

Un avión vuela por varios mecanismos. El primero es el efecto Bernoulli causado por la inclinación del ala que genera un diferencial de presión que empuja el ala hacia arriba a medida que avanza por el aire. Tenga en cuenta que las aves tienen alas combadas. Sin embargo, es posible tener un avión con alas completamente planas y sin inclinación, 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 ventanilla del automóvil, sentirá que la empuja hacia arriba. Este mismo efecto se logra en un avión inclinando las alas ligeramente hacia arriba en relación con el plano del fuselaje.

Finalmente, 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 el área de superficie que presenta al suelo. La fuerza principal que sostiene un avión es la resistencia del aire, que es una 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 área de superficie al suelo, por lo que tendrá una mayor eficiencia para mantenerse en el aire. Por esta razón, casi todos los primeros aviones tenían fuselajes cuadrados. Sin embargo, un fuselaje redondo será más eficiente al avanzar que uno cuadrado, por lo que en un avión construido para la velocidad, la forma redonda es mejor. Un avión con un fuselaje redondo va más rápido,

El mismo argumento es válido para el área del ala. Cuanto más grande es el ala, más resistencia del aire. Por esta razón, los planeadores tienen alas relativamente grandes en comparación con los aviones a motor. 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 al área de la superficie orientada hacia abajo, el ángulo de las alas en la base del ala y el efecto Bernoulli asociado con la inclinación de las alas.