¿Por qué los techos se los lleva el viento?

Siempre que hay vientos fuertes, como en las tormentas, los techos de metal delgado de los cobertizos, así como los techos cóncavos de las cabañas, a veces se vuelan.

Una explicación que me dieron fue que la mayor velocidad del aire exterior hace que la presión del aire sobre el techo disminuya y cuando ha disminuido hasta cierto punto, la presión del aire sobre el techo es menor que la presión del aire debajo del techo y debido a algún tipo de ósmosis , las partículas de aire se mueven desde el área de mayor presión (debajo del techo) al área de baja presión. En este proceso, el techo se vuela.

Otra explicación, específicamente acerca de los delgados techos de metal, dijo que fue volado debido al levantamiento causado por el aire y este es el mismo tipo de levantamiento que obtienes cuando soplas sobre un papel.

Ambas explicaciones me desconciertan. Lo que realmente me molesta es la base de la primera, ¿ cómo puede un aumento en la velocidad hacer que la presión baje? Parece que no puedo correlacionar eso con la definición de presión de Fuerza por unidad de área.

Por favor, oh, grandes físicos de Internet, ayúdenme a mí y a cualquier otra persona común a comprender cómo y por qué los techos se vuelan.

@akhmeteli: Genial, es una relación que incluye presión y velocidad... pero no veo ninguna razón matemática por la que uno pueda deducir de la ecuación de flujo incompresible que la velocidad es inversamente proporcional a la presión.
@Nick, hay una derivación en la página que akhmeteli te indicó, solo haz clic aquí: en.wikipedia.org/wiki/…
@Nick: ¿por qué crees que es inversamente proporcional? Si la presión disminuye cuando aumenta la velocidad, no significa que sean inversamente proporcionales.
@akhmeteli: Esa es una especie de definición del profano de proporcionalidad inversa. Pero si tengo que considerar que la presión disminuye cuando aumenta la velocidad sin que sean inversamente proporcionales... ¡oh! Lo entiendo.
a + b + C = constante
Si alguno de los parámetros cambia, los otros parámetros también tienen que cambiar para asegurar que su suma sea constante. Y dado que la mayoría de las veces no se puede cambiar la altura y la gravedad, la ecuación de flujo incompresible sirve como una buena relación que muestra que la presión aumenta cuando la velocidad disminuye y viceversa. Ahora, ¿qué pasa con la pregunta principal?
@Nick: ¿Qué pasa con la pregunta principal? Si la presión debajo del techo es mayor que la presión sobre el techo, hay una fuerza total dirigida hacia arriba. Si el techo no está lo suficientemente bien sujeto, se volará.
@akhmeteli: Ah, sí, lo entiendo, pero ¿qué pasa con los techos delgados de los cobertizos? ¿Cómo funciona la presión allí?
@Nick: De la misma manera: hay una fuerza hacia arriba, puede arrancar el techo. La única diferencia es que un techo delgado no es tan rígido como un techo grueso, por lo que la forma del techo delgado puede cambiar en el proceso.
@akhmeteli: Oh, ¿eso significa que la explicación anterior es incorrecta o que el papel se levantó de la misma manera?
@Nick: el papel se levanta de la misma manera.
@akhmeteli: ¿Significa que las partículas de aire golpean el papel y se acumulan causando un área de alta presión en el lado en el que está soplando y empuja el papel en la dirección del área de baja presión? Siempre pensé que se debía a la fuerza de reacción de las partículas desviadas hacia abajo.
@Nick: No dije nada sobre "acumulación". No necesita considerar el mecanismo molecular de la presión: la presión de arriba es más baja que la presión de abajo; esto es suficiente para que el techo salga a caminar :-) En cuanto al mecanismo molecular de la presión, sí, se debe a la fuerza de reacción de las partículas desviadas de la superficie en cuestión.
El título debe ser "¿Por qué los techos son de madera.." ya que es poco probable que un techo de hormigón o acero reforzado se dañe con el viento.
@ja72: Tienes permitido aumentar el viento a proporciones antinaturales.
@Nick, entonces toda la casa se irá volando y no solo el techo.
@ja72: Eso es irrelevante. El trabajo del viento era volar el techo. No importa lo que esté unido a él.

Respuestas (4)

La presión es fuerza por unidad de área, sí, pero también representa la diferencia en la densidad de energía cinética a través de una superficie: solo la energía del movimiento aleatorio de las partículas, aunque no el movimiento coherente a gran escala como el viento. En consecuencia, cuanto más rápido se mueve un fluido, más de su energía cinética entra en movimiento a gran escala, y menos queda para el movimiento aleatorio de partículas individuales, por lo que, en igualdad de condiciones, los fluidos que se mueven más rápido tienen una presión más baja.

Entonces podría preguntarse por qué todas las demás cosas deberían ser iguales; en particular, ¿por qué el aire en ambos lados de un techo tendría aproximadamente la misma densidad de energía cinética general? Esto se debe a que el aire tiende a equilibrarse en escalas de tiempo prolongadas: la presión y la temperatura dentro y fuera de la casa y, por lo tanto, la densidad de energía cinética, tenderán a ser similares. Cuando se levanta un viento fuerte, la presión exterior cae, pero no hay tiempo para que el aire entre y salga de la casa para causar la caída correspondiente en la presión interior. Es por eso que obtienes un gradiente de presión en el techo.

Una respuesta maravillosa, pero no entiendo cómo la presión puede representar la diferencia en KE en una superficie. Al analizar dimensionalmente la presión y la energía, veo que la presión tiene las mismas dimensiones físicas que la Energía por unidad de Volumen. Aunque puedo ver la relación, no puedo comprenderla intuitivamente.
Estoy seguro de que hay derivaciones de eso en Internet, o si no puede encontrar una, sería una buena pregunta por separado.
Hay algo mal con esta explicación. Si el viento fuerte sopla todo el día, dando suficiente tiempo para que el "aire entre y salga de la casa para causar la caída correspondiente en la presión interior", el principio de Bernoulli aún se mantiene.
Bueno, pero cuando sopla un viento fuerte durante todo un día, por lo general son ráfagas repetidas además de un viento más débil. Eso todavía permite un diferencial de presión. En teoría, si hubiera un flujo de aire de velocidad constante (y de alguna manera sin turbulencia) fuera de una casa durante un período prolongado, ¿no caería la presión interior para igualar la presión exterior con el tiempo? ¿O es algo más lo que equilibra?

Bernoulli al rescate!

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¿Responde esto a la pregunta?

Tenga en cuenta que las velocidades de los huracanes suelen ser el doble de las velocidades de pérdida de aeronaves pequeñas, y la carga típica de las alas de las aeronaves está en el rango de 50 k gramo / metro 2 , entonces un techo podría ver 4 veces eso . El material del techo tendría que ser muy pesado para no ser levantado por eso.

Consulte el teorema de Bernoulli. Mire este video para la demostración http://dornsife.usc.edu/labs/lecture-support-lab/wind-storm/ .

Breve explicación: cuando la velocidad del viento es lo suficientemente grande, la presión del aire sobre la superficie es menor en comparación con la que hay debajo. Esto hace que el techo se desprenda. El avión funciona con el mismo principio (menor presión en la superficie superior).

Verdadero para techo; falso para aviones. Este es un malentendido común. Las aeronaves se elevan dirigiendo el flujo hacia abajo, no a partir de un diferencial de presión (básicamente inexistente) entre las superficies superior e inferior del ala. Google alrededor; encontrarás algunos artículos interesantes.
@CarlWitthoft Su afirmación de que la diferencia de presión es básicamente inexistente es falsa. El malentendido común al que te refieres es la falacia de los tiempos iguales . El malentendido no es que la presión estática en la superficie superior sea menor porque el aire se mueve más rápido, el malentendido es por qué ese aire se mueve más rápido.
Los perfiles aerodinámicos que desvían el flujo hacia abajo son una forma de interpretar la elevación, pero (como discuto aquí ) también hay otras formas equivalentes de ver la elevación ... incluida una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior.
@OSE pero ese diferencial de presión es una función del ángulo de ataque, no de la forma del perfil aerodinámico. Los aviones vuelan boca abajo, etc.
@CarlWitthoft Es una función del ángulo de ataque, pero también es una función de la forma del perfil aerodinámico. Los perfiles aerodinámicos combados proporcionan una mayor sustentación con un ángulo de ataque cero únicamente debido al cambio en la forma del perfil aerodinámico, lo que lleva a una distribución diferente de la velocidad del borde de la capa límite y, por lo tanto, a un diferencial de presión diferente.
@CarlWitthoft: Tienes razón sobre el ángulo de ataque, pero no sobre la diferencia sin presión. OSE también tiene razón. Si eres un ala (simétrica por el bien del argumento) y estás generando sustentación, sí, estás desviando el aire hacia abajo debido al ángulo de ataque, y tu recompensa por hacer esto es ver una diferencia de presión. No hay otra forma de que sientas la fuerza.
+1 en el supuesto de que quiso decir "la presión sobre la superficie es menor ", como lo ilustra su video.

Los vientos de alta velocidad van acompañados de una presión de aire reducida. Por lo tanto, la alta presión del interior de la casa empuja el techo a una presión baja y se lo lleva el viento.

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