Motivo de la presión de aire más baja sobre el ala de un avión

Estoy planteando esta pregunta desde la perspectiva de un novato. Leí un artículo de Scientific American, titulado "Nadie puede explicar por qué los aviones permanecen en el aire". El artículo explica cómo, si bien entendemos cómo crear vuelo (con aviones, por ejemplo), todavía no entendemos por qué hay una presión más baja sobre el ala, lo que permite que el aire sobre el ala fluya más rápidamente, generando así sustentación. . Si le interesa este tema, lea el artículo al que hago referencia, presenta las dos teorías en competencia para explicar por qué la presión del aire es más baja sobre el ala de un avión en vuelo. También muestra cómo ambas teorías están incompletas.

Me pareció fascinante que todavía no entendamos esto, así que decidí pensarlo un poco. No soy físico, pero diría que tengo una comprensión básica de la física (al menos la estudié durante la escuela secundaria). El primer aspecto de lo que sucede cuando un avión está volando en el que decidí pensar es (para mí) la fuerza más obvia involucrada en el vuelo: la gravedad. Entonces evoqué la pregunta, "¿cómo actúa la gravedad en el aire?" Si escribe eso en una búsqueda de Google, aparecerá este cuadro de texto en la parte superior:

A medida que la gravedad abraza la capa de aire de la superficie de la Tierra, se establece en el aire lo que los físicos llaman un gradiente de densidad. El aire cerca del suelo es atraído por la gravedad y comprimido por el aire más alto en el cielo. Esto hace que el aire cerca del suelo sea más denso y tenga una mayor presión que el aire en elevaciones más altas.

Google cita esto como proveniente de https://www.uu.edu/dept/physics/scienceguys/2001Oct.cfm - Supongo que tiene buena reputación si Google elige presentarlo como una "respuesta rápida" (si lo desea) para la búsqueda "¿actúa la gravedad sobre el aire?".

En esta explicación, creo que lo que está diciendo es que el aire que está más cerca del suelo está más compacto. Menciona el "gradiente de densidad", e interpreto ese concepto en el sentido de que, a medida que te acercas al borde de nuestra atmósfera (comenzando al nivel del suelo), el aire se volverá cada vez menos denso a medida que asciendes más y más. Entonces, si así es como se comporta el aire bajo la gravedad, y un avión está volando por el aire, esto significa que, a medida que se impulsa hacia los lados (ya que sus alas "cortan el aire"), por naturaleza, va a dividir el gradiente de densidad del aire (que creo que también puede estar directamente relacionado con la presión del aire: el aire más denso, el aire más cerca del suelo, tiene una presión más alta, y el aire menos denso, el aire más alejado del suelo, tiene una presión más baja). Al decir esto, entonces creo que puedo decir eso, a medida que el ala corta el aire, no hay ninguna razón por la que no corte el aire de una manera en la que cree una situación alrededor del ala, donde hay una presión más baja sobre el ala y una presión más alta debajo del ala (incluso si es solo una pequeña diferencia, el avión está aplicando mucha fuerza lateralmente en esta situación), lo que permite la sustentación. No hay ninguna razón para que el aire que está más arriba (el aire inherentemente menos denso) pase por debajo del ala, porque ya está por encima del aire más denso (el aire que ya está más cerca del suelo) como lo describe el gradiente de densidad . Me parece que esta noción respalda la idea de que habría una presión más baja sobre el ala de un avión (permitiendo que el aire se mueva más rápidamente sobre el ala) y una presión más alta debajo. Todo lo que he dicho parece bastante obvio, y parece respaldar la idea de que la sustentación será inherente a cualquier situación en la que algo se deslice horizontalmente por el aire a una velocidad en la que pueda anular cualquier otra fuerza que pueda actuar en un esfuerzo por hacer que se mueva de forma no horizontal. Supongo que me estoy perdiendo algo, y no es tan (aparentemente) simple; de ​​cualquier manera, con lo que creo que descubrí a través de mi breve investigación, básicamente quiero saber por qué lo que dije está mal, si es (Supongo que sería muy bueno si me diera cuenta de este problema jaja).

¡Gracias!

Esto se ha preguntado muchas veces, y simplemente no es cierto que la sustentación aerodinámica no tiene explicación. Consulte physics.stackexchange.com/questions/13030/…
Bueno, de lo que parece, mi siguiente pregunta es ¿por qué Scientific American publicó un artículo en apoyo de la noción de que todavía no entendemos por qué hay una presión más baja sobre un ala durante el vuelo? Parece que la respuesta en la publicación a la que ha hecho referencia proporciona una respuesta completa, pero al final todavía dice: "Esta es la mejor explicación que tengo. Si supone que el fluido es incompresible, funciona muy bien... El texto en negrita es la mejor respuesta que tengo y creo que es buena". Entonces, ¿su respuesta es completa?
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Se sabe desde hace 100 años cómo vuelan los aviones, pero eso no impide que se hagan preguntas como esta. Si quieres que la gente vaya a leer algo, TÚ lee algo: av8n.com/how Lo único complicado es algo llamado "Condición Kutta". Es la razón del borde de fuga afilado del ala. Es por eso que puedes apagar una vela, pero no puedes succionarla.
Revisaré su enlace: mi primer paso fue hacer una pregunta aquí (google no es el único recurso en Internet) si no tiene ganas de responder o participar, entonces no lo haga. Además, continúa diciendo que la condición de Kutta es "complicada", parece que si algo "complicado" está sucediendo, mientras que las personas entienden claramente el vuelo, parece que mi pregunta todavía tiene sentido: es posible entender cómo volar , mientras que el concepto de por qué existe el ascensor sigue siendo una "caja negra" (como dice Scientific American que todavía lo es). Todavía no he escuchado a nadie decir nada que responda de manera concluyente a mi pregunta.

Respuestas (4)

"Supongo que me estoy perdiendo algo"

Sí es usted. Dos cosas en particular:

En primer lugar, el aire caliente sube, por lo que existe un gradiente de densidad en oposición a la gravedad. Esto tenderá a proporcionar regiones donde efectivamente no hay gradiente de densidad y, por lo tanto, no hay elevación, según la idea descrita anteriormente.

En segundo lugar, un avión de pasajeros moderno tiene una profundidad de ala, desde la superficie superior hasta la superficie inferior, de, digamos, 100 cm en promedio. El gradiente de densidad atmosférica de la Tierra es mucho, mucho menor que esto, por lo que estos aviones logran volar en aire que no tiene gradiente de densidad, en términos reales.

Tengo algunas preguntas sin embargo. 1) entiendo que el aire caliente sube, pero eso no necesariamente habla de presión, lo que encontré en Google dice que el aire es atraído con más fuerza por la gravedad en altitudes bajas, y hay menos atracción en altitudes elevadas, ergo, las altitudes elevadas son asociado con menos presión, por lo que no estoy seguro de si lo que dice sobre la temperatura del aire es correcto (según lo que encontré sobre la gravedad y el aire en Google). Además, si hay áreas sin gradiente de densidad, supongo que no importaría si esas áreas no son grandes, ¿qué tan grandes pueden ser las áreas sin gradiente de densidad?
¿Qué quiere decir con "el gradiente de densidad atmosférica de la Tierra es mucho, mucho menor que [100 cm]"? Eso tampoco me parece tener sentido, el gradiente de densidad se extiende a través de la atmósfera, así que a cualquier altitud a la que se encuentre el avión, el ala está pasando por el aire con una altura de 100 cm (como dices) y lo que está arriba tiene una presión más baja que lo que está debajo del ala, eso es lo que me pregunto.
Está bien, voy a morder :). ...en lo que respecta a la presión, piensa en mi respuesta la próxima vez que tengas turbulencias en el vuelo causadas por el aire caliente que sube de las zonas montañosas en pleno verano, te garantizo que es la presión del aire lo que te hace rezar :)... .en la atmósfera de la Tierra, los efectos de la presión y la temperatura son inseparables... en lo que respecta a las áreas sin densidad (o al menos equilibrada), la formación de nubes de Google luego busca y estima en un día determinado cuánto aire ascendente debe haber ser.
Siempre hay un gradiente de densidad, mi punto es que en una distancia vertical de 100 cm, es una diferencia de presión insignificante... podría afectar a una mosca, pero no a un Boeing de 550 toneladas.

Primero resumiré la pregunta tal como la entiendo, de modo que si me equivoco, pueda corregirme rápidamente sin tener que leer mucho. Aquí va:

(1) Hay teorías contrapuestas sobre la sustentación en un avión, y un artículo de SA afirma que ambas están incompletas.

(2) Tiene una tercera interpretación más simple y quiere saber si está completa.

Ahora, su interpretación se basa únicamente en las diferencias de densidad natural en la atmósfera y la fuerza ascendente generada en estos por la misma razón. Considere dos contadores de esto:

(a) Un avión también puede aterrizar, o bajar su altitud en la misma atmósfera de la misma manera que puede subir su altitud. Bajar no requiere más combustible/esfuerzo que subir, lo que se esperaría si los gradientes de densidad lo mantuvieran a flote. Tenga en cuenta que asumo que no hay cambios en la velocidad aquí.

(b) Es posible que un avión vuele muy cerca del suelo, donde la diferencia de densidad es bastante baja (la densidad atmosférica en realidad no varía linealmente con la altura).

Hay una razón para el diseño del perfil aerodinámico y para los alerones flexibles, a saber, que pueden cambiar la dirección del flujo de aire por encima y por debajo del ala. Estas direcciones de flujo de aire en realidad generan las diferencias de presión y generan sustentación, de una manera básicamente similar a lo que propones. Solo que proviene del diseño del perfil aerodinámico y no de las diferencias de densidad natural.

Tengo algunas preguntas más. En esta situación, estamos hablando solo de sustentación, no de la capacidad del avión para subir o bajar una cantidad sustancial. Dicho esto, si puede encontrar algún lugar que me muestre dónde dice que bajar cuesta exactamente la misma cantidad de energía que subir, eso ayudaría. Tal como lo veo, aquí hay un problema con nuestra lógica. Cuando un avión sube, está luchando contra la gravedad y cuando un avión baja, no lo hace, por lo que tendría un precedente en la situación en la que estamos midiendo el esfuerzo de las direcciones hacia arriba o hacia abajo. Así que me pregunto si eso es un problema con (a)
En respuesta a (b). Supongo que no estoy diciendo que lo que pienso realmente afectaría si un avión puede o no volar cerca del suelo. Incluso si solo hay una diferencia muy pequeña en la densidad del aire cerca del suelo, todavía hay una, todo lo que creo que estoy diciendo es que, el hecho mismo de que haya alguna diferencia en la presión del aire es la fuente de sustentación. . Mientras que los aviones pesan mucho. También pueden impulsarse hacia adelante muy rápidamente.
... Si pueden anular la fuerza descendente de la gravedad yendo de lado, entonces lo que estoy diciendo es que parece que la diferencia en la presión del aire (no importa cuán pequeña) es lo que permite la sustentación, dado que el avión tiene flaps. (y su propia fuente de energía) para que pueda autodireccionarse. Básicamente me pregunto. Si el gradiente de densidad se invirtiera (no es posible, lo sé), eso significaría que la presión más alta está por encima de la presión más baja en todo momento, me pregunto si esa es una situación que no permitiría el levantamiento.
Supongo que para relacionarlo con el diseño del perfil aerodinámico, ¿cómo habla al final de la respuesta anterior? ¿Hay algún diseño de perfil aerodinámico que funcione en el aire con un gradiente de densidad inverso (y la gravedad aún existiría demasiado obviamente)? ¿O hay uno que funcionaría, simplemente sería un diseño diferente al que tenemos ahora?
@ewizard - Veo tu punto. Mira, la gravedad está ahí de todos modos; cuando hablamos de sustentación, implícitamente estamos considerando suficiente sustentación para vencer la gravedad. Si la sustentación generada por las diferencias de densidad es menor que la gravedad, no tiene sentido considerarla como una fuerza responsable de volar, ¿verdad? En cuanto al combustible, encontrará un ejemplo bastante cercano en el excelente enlace proporcionado por Mike como comentario, sección 1.2.3. Se necesita más combustible para subir que para deslizarse a la misma altura, lo que no esperaría si las diferencias de densidad fueran el principal factor involucrado.
Acerca de (b), el punto al que estaba llegando es que, si consideramos solo las diferencias de densidad, la diferencia aumenta más rápido a medida que aumenta ( en.wikipedia.org/wiki/Density_of_air#/media/… ). Entonces, esto debería significar que un avión seguiría elevándose de forma natural o, por el contrario, no sería capaz de volar cerca del suelo, donde las diferencias son bastante pequeñas. Como puedes ver en el enlace anterior, este no es el caso.
Finalmente, sobre el gradiente de densidad inversa; Supongo que podría pensar en esto en términos de aviones que vuelan boca abajo: sciencefocus.com/future-technology/… . Sí, estos perfiles aerodinámicos son más simétricos para permitir ambos tipos de vuelo. Sin embargo, esto tiene un costo de eficiencia.
Bien, estás diciendo, creo, que cuando hablamos de sustentación, no se me permite concluir que la diferencia en la densidad del aire a medida que asciendes es la razón de la sustentación. Sin embargo, no he estado diciendo que el gradiente de densidad CAUSA elevación (es el único responsable de contrarrestar la gravedad); según tengo entendido, el problema no es "¿cómo es posible la elevación?"
...Creo que la pregunta es, "¿cómo se permite el levantamiento?" Esa es la pregunta que estoy tratando de responder, y al leer el artículo de Scientific American, deduje que mi interpretación de no entender el ascensor, solo tiene que ver con la concesión del ascensor, no con sus "métodos". Obviamente, los métodos se entienden claramente.
Mi pregunta no es una pregunta sobre la potencia de los motores del avión, y su capacidad para viajar horizontalmente o hacia arriba, es la pregunta sobre qué permite la sustentación, qué permite que el avión pueda subir, dado que tiene suficiente poder para hacerlo
Además, si un avión está volando boca abajo, todavía es capaz de "subir", sin embargo, me pregunto (porque no sé), ¿deberíamos considerar la situación en la que un avión está volando boca abajo, pero subiendo en altitud, una situación en la que el avión solo puede generar esa "ascensión" (una elevación más "hecha por el hombre") debido a la potencia de su motor? Mientras que, la sustentación generada por un plano con el lado derecho hacia arriba, es al menos asistida por fuerzas naturales, que permiten la sustentación (también conocida como gradiente de densidad), eso es todo a lo que estoy tratando de llegar aquí.
En pocas palabras, el artículo dice que todavía no entendemos por qué hay una presión más baja sobre un ala. Cuando leí eso y luego descubrí el gradiente de densidad, la respuesta parecía obvia. No estoy hablando de ningún aspecto del vuelo que no sea la baja presión de aire sobre el ala de un avión. Si hay una respuesta aceptada a esa pregunta (como no hay una en el artículo que leí, no estoy seguro de por qué estarían mintiendo al respecto), estoy pidiendo esa respuesta específicamente.
jaja nunca he vuelto a un chat? como vuelvo ahi?
Simplemente haga clic en el enlace que dice 'continuar esta discusión en el chat'
gracias por la ayuda, escribí una última cosa básicamente de acuerdo contigo en nuestro chat si quieres echar un vistazo

El aire DEBAJO del ala "es decir" es una distancia medida de 10, el aire ARRIBA del ala es una distancia medida de 12, el 10 y el 12 comienzan y terminan en los mismos intervalos de tiempo, por lo que la parte ARRIBA del ala tiene pequeños espacios de menos aire porque comienzan y se detienen al mismo tiempo, pero 12 tuvieron que moverse más rápido y dejar pequeños espacios en el aire haciendo menos presión SOBRE la superficie de la parte superior del ala. ¡Lo aprendimos de los 🐦 pájaros de la naturaleza! ..

Si bien culpa al gradiente de presión por el ascenso, ¿por qué necesita que el avión "corte" el gradiente? Hay un gradiente de presión a lo largo del ala mientras espera ser abordada. Aquí hay otro pensamiento en la misma línea de razonamiento: use un ala que tenga un perfil aún más grueso, creando así más sustentación debido al mayor gradiente de presión expuesto y una vez que el avión esté en el aire, reduzca el perfil para reducir la enorme resistencia. La cuestión es que el gradiente de presión produce un gradiente insignificante, que de hecho cambiaría simplemente por el gradiente de temperatura efectuado por los motores, etc. Al llegar al artículo en Scientific American, desafortunadamente, los escritores de libros de divulgación científica, en un intento de atraer el interés de una amplia audiencia, muy a menudo hacen declaraciones audaces. Al igual que "nadie puede explicar por qué los aviones permanecen en el aire", signo de exclamación. En realidad está muy bien explicado, como admite más adelante el artículo. “Pero las ecuaciones por sí solas no son explicaciones”, continúa agregando, lo cual es solo un juego semántico. Las ecuaciones son solo representaciones de explicaciones. Si no puede explicarlo, no puede generar ecuaciones simplemente garabateando en una hoja de papel. Luego, el artículo acepta esto pero no se da por vencido y afirma "pero el teorema no constituye una explicación completa del ascensor". En realidad lo hace, pero el autor simplemente no es consciente de ello. Yo personalmente sugeriría leer cosas más serias que Scientific American. Las ecuaciones son solo representaciones de explicaciones. Si no puede explicarlo, no puede generar ecuaciones simplemente garabateando en una hoja de papel. Luego, el artículo acepta esto pero no se da por vencido y afirma "pero el teorema no constituye una explicación completa del ascensor". En realidad lo hace, pero el autor simplemente no es consciente de ello. Yo personalmente sugeriría leer cosas más serias que Scientific American. Las ecuaciones son solo representaciones de explicaciones. Si no puede explicarlo, no puede generar ecuaciones simplemente garabateando en una hoja de papel. Luego, el artículo acepta esto pero no se da por vencido y afirma "pero el teorema no constituye una explicación completa del ascensor". En realidad lo hace, pero el autor simplemente no es consciente de ello. Yo personalmente sugeriría leer cosas más serias que Scientific American.