¿Es la baja presión de aire en la parte superior del ala el principal contribuyente a la sustentación?

Debes haber leído las fuentes equivocadas. La baja presión en la superficie superior del ala es realmente la principal fuente de sustentación. El aire circundante succiona el ala hacia arriba tanto como la empuja hacia arriba desde abajo .

En una placa plana, la contribución de la succión y la presión es casi igual. En un ala con un perfil aerodinámico grueso, se agrega algo de succión adicional en ambos lados debido al efecto de desplazamiento del ala, por lo que el cambio de presión negativa resultante en la superficie superior se vuelve mayor que el cambio de presión positiva en la parte inferior. En ángulos de ataque bajos, incluso obtiene succión en ambos lados.

Su cálculo de presión puede ser útil para la diferencia de presión media entre ambos lados del ala, pero no dará un valor correcto para la presión absoluta. Es mejor calcular la sustentación a partir del cambio de impulso impartido en el aire por el ala, como se muestra en esta respuesta .

Su ejemplo con la fila está bien elegido: la diferencia de altura local del agua al nivel del mar no perturbado es equivalente a la diferencia de presión local a la presión estática (un nivel de agua más alto significa una presión más alta) y muestra las condiciones aproximadas en una sección de el ala. La fila es como una placa plana inclinada. Incluso puede cambiar el ángulo de la fila y ver el vórtice final adicional a medida que flota alejándose de la fila.

Ahora, para las alas delta: son peculiares porque la forma aerodinámica depende de la presión local, y los primeros modelos no usaban refuerzos longitudinales, por lo que la presión sobre la tela podría invertirse cuando el ala atrapaba un ángulo de ataque negativo por un momento. Tienes suerte de poder volver a presionar la tela: varios de los primeros pilotos de ala delta no pudieron recuperarse y cayeron y murieron. Esto sucedió cuando los diseñadores intentaron aumentar la relación de aspecto de la forma Rogallo inicial de sus velas. Solo conozco una palabra alemana para este fenómeno: Flattersturz.

La pregunta es: "¿Es la baja presión en la parte superior del ala el principal contribuyente de la sustentación?"

Depende de cómo se defina "el principal" contribuyente. Pero la respuesta debe ser sí , porque la baja presión en la parte superior del ala es sin duda uno de los ingredientes de la receta para la sustentación y el vuelo en avión. Así que echemos un vistazo a lo que está pasando, y puedes decidir qué tan importante es mayor.

Primero: las alas no tienen sustentación cuando están quietas y, a medida que el ala se mueve por el aire, cada vez más rápido, la receta comienza a encajar. Así que la velocidad también es un factor importante. La velocidad a medida que fluye por la parte superior del ala crea un flujo cohesivo de aire que es muy similar al agua que fluye en un río. Imagínese arrojar un palo en agua que se mueve rápidamente y el palo se lo lleva. A medida que el aire cohesivo fluye rápidamente a través de la parte superior del ala, las moléculas en la parte superior del ala quedan atrapadas en el flujo y abandonan el lugar donde estaban, dejando atrás un vacío. Cuanto más rápida sea la velocidad, mayor será el flujo, mayor será el vacío. Entonces, el flujo de aire cohesivo también es un contribuyente importante.

En segundo lugar, no tenemos "elevación" sin una reacción desde abajo. Una fuerza hacia arriba que en realidad es la fuerza que mantiene el avión en el aire. ¿De dónde viene este ascensor? Proviene de la lucha dinámica del electrón dentro del átomo. Verá: los electrones son tan pequeños que la piel sólida del ala es como una cerca de alambre para el electrón y, por lo tanto, los electrones dentro de los átomos debajo del ala pueden ver (sentir) el vacío vacío, y se mueven en masa para llenar el vacío - ¡pero hay un problema! El átomo que sostiene el electrón dentro de su vientre es demasiado grande para entrar en la piel de eslabón de cadena (sólida) del ala, así que mientras el electrón se esfuerza por llenar el vacío en la parte superior, arrastra el átomo hacia la parte inferior de la piel del ala. Cuando el átomo golpea la superficie del ala, ese es el momento en que la energía potencial se convierte en energía cinética, y se produce el levantamiento. Cuanto mayor es el diferencial de presión, más fuerte tiran los electrones de los átomos demasiado grandes. Entonces, el mandato del Universo de que la materia de electrones llene el vacío de la nada, es otro "contribuyente importante" al levantamiento del avión.

Entonces sí, el vacío es importante, pero en realidad es solo un cebo. La parte más importante de la sustentación es cuando la energía se convierte de potencial a cinética, y eso se encuentra en la lucha interna de la relación dinámica del átomo y el electrón. Pero, de nuevo... la reacción no ocurriría si el vacío del cebo no existiera, si creo que le daré la misma importancia al vacío. Es como el enigma del "huevo o la gallina". Entonces, cuál es el ingrediente más importante en la receta del vuelo en avión. Resulta que todos los ingredientes son importantes y funcionan juntos como uno solo. El vacío es solo uno de los ingredientes.

La causa real de la sustentación y la razón lógica por la que un objeto se mueve hacia arriba es, de hecho, una diferencia de presión. Pero cómo se crea esta diferencia de presión es una de las cosas más incomprendidas de la física.

La respuesta corta es que un ala produce una fuerza en dirección hacia arriba (o hacia abajo en caso de sustentación negativa). Esta fuerza trabaja en contra de la presión del aire proveniente de arriba del ala, con el resultado de una disminución de la presión en la parte superior. Pero en la parte inferior, esta fuerza funciona ahora con la presión del aire que proviene de debajo del ala, lo que da como resultado un aumento de la presión desde abajo. La fuerza neta es hacia arriba. Hice esta demostración en video para mostrar cómo la diferencia de presión debida al giro del flujo es la causa de la elevación en lugar de la diferencia de presión debida al principio de Bernoulli.

Una respuesta más larga se esconde en esta explicación física sobre el centro de sustentación que escribí en otra publicación:

Se ha escrito mucho sobre el centro de presión o el centro de sustentación, que en realidad es el mismo, pero pocas personas saben qué es realmente en un sentido físico. El centro de presión, abreviado como CP o CL, es un factor importante en la aerodinámica ya que su posición relativa al centro de gravedad (CG) estima de manera importante la estabilidad de un sistema de vuelo.

Para comprender realmente qué es el centro de presión, es importante comprender primero el verdadero principio detrás de la generación de sustentación, que tiene que ver con la aceleración del aire causada por el giro de ese aire. Ya sea que un flujo de aire se desvíe a lo largo del lado superior de un ala o a lo largo del lado inferior, para cambiar el flujo, se requiere que una fuerza actúe sobre él. La fuerza responsable de hacer girar el aire tanto por el lado superior como por el inferior es la viscosidad del aire. Compare esto con un fluido viscoso que se pega más a su mano que con un fluido menos viscoso. A medida que el aire se adhiere a la superficie del ala, puede ejercer una fuerza sobre el ala. Esto es para contrarrestar la fuerza que el ala actúa sobre el flujo de aire al bajarlo. O dicho de otro modo: el conocido principio acción=reacción, descrito por la tercera ley de Newton.

El centro de presión es Acción = Punto de reacción

Este punto de acción=reacción es el centro de sustentación o el centro de presión. Se llama centro de sustentación porque es el punto donde la fuerza de sustentación actúa sobre una superficie de sustentación (ala) o configuración de sustentación (avión). Se llama centro de presión porque este es el punto promedio de toda la presión que actúa sobre la superficie de elevación o la configuración de elevación. Tenga en cuenta que a medida que el ala desvía el aire hacia abajo, el aire ejerce una fuerza sobre el ala 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 perfil aerodinámico ahora tenemos un vector más pequeño a medida que se reduce la presión porque aquí hay una deducción de la presión sobre el ala causada por la fuerza en la dirección hacia arriba. El resultado es una fuerza neta hacia arriba.

Explicación incorrecta

Una explicación errónea muy común del centro de presión es que se debe a que la presión desciende debido al principio de Bernoulli en la parte superior del ala. El flujo de aire más rápido sobre la parte superior del ala de hecho está causando una caída de presión en esta ubicación, pero esto no es comparable en magnitud a la disminución de presión causada por el giro del flujo como se describió anteriormente. Por lo tanto, el flujo de aire más rápido sobre la parte superior del ala no es la causa de la generación de sustentación, pero la causa real es el giro del flujo.

Una respuesta más avanzada sobre el mecanismo real de elevación que escribí aquí