¿Por qué el aire fluye más rápido sobre la parte superior de un perfil aerodinámico?

Complemento de Alex Qvist: cuando el aire golpea la parte delantera del ala, fluye en una curva más pronunciada hacia arriba que el flujo del ala inferior. Esto crea un vacío en la parte superior del ala y atrae más aire hacia la parte superior del ala. este aire hace lo mismo pero se mueve más rápido porque el vacío lo atrae, y luego el vacío, por supuesto, levanta el ala.

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La explicación común dada es que fluye más rápido sobre la parte superior del ala porque la parte superior es más curva que la parte inferior del ala. Sin embargo, entiendo por qué encontraría esta explicación insatisfactoria.

Para empezar, creo que necesitamos identificar el punto en el que se separa el flujo. Mirando Wikipedia , publicaré dos imágenes:

El argumento de que el viento fluye más rápido por encima es principalmente una consecuencia de la geometría. Primero identifique el punto en el que se separa el flujo, es decir, el punto por encima del cual pasa el fluido y por debajo del cual el fluido pasa por debajo, esto es ligeramente por debajo del punto más frontal del perfil aerodinámico, debido al hecho de que está inclinado ligeramente hacia arriba. Si ambos caminos tardan aproximadamente el mismo tiempo en pasar por el ala, entonces la velocidad promedio del fluido desde el punto de separación hasta la cola, donde el flujo se reincorpora, será aproximadamente proporcional a la distancia desde esos dos puntos.

Ahora, puede decir, "¡pero fluirá más rápido sobre la parte superior incluso si la parte superior no está más curvada!" Estarías en lo correcto. Un avión puede funcionar sin una curva adicional en la parte superior del ala, como señala el famoso cómic xkcd. Sin embargo, tal modo de vuelo hará que el fluido pase más rápido sobre la parte superior del ala. Un argumento simple para esto es que el punto de separación está más bajo que el frente del ala, nuevamente, ya que el ala está inclinada hacia arriba. Un avión puede volar boca abajo, pero no conozco un avión que pueda mantener la altitud con las alas no inclinadas hacia arriba. La parte superior curva, sin embargo, aumenta la eficiencia al intensificar ese efecto natural.

Espero que ayude a algunos, esta no es una respuesta rigurosa intencionalmente, y quiero reconocer que no estoy abordando los detalles más peludos de las ecuaciones de fluidos reales asociadas con esto, que se requieren para una explicación completa. En resumen, la velocidad del fluido sobre una superficie no es completamente proporcional a la distancia recorrida. Sin embargo, incluso sin entrar en eso, creo que su pregunta está mayormente respondida.

Otro intento

Me doy cuenta de que mi respuesta hasta este punto puede no solo estar incompleta, sino que podría no responder la pregunta. La pregunta es por qué el flujo en la parte superior se mueve más rápido que en la parte inferior. Déjame publicar otra imagen.

Hay 2 cosas que quiero señalar aquí.

1. El fluido por encima del ala se acelera y el fluido por debajo del ala se ralentiza. Sólo quiero confirmar que esto sigue siendo el caso.
2. El fluido que va por arriba y por abajo no tiene el mismo tiempo de viaje sobre el ala.

El número 2 es particularmente importante porque simplemente no es correcto decir que la velocidad es proporcional a la distancia entre la separación y el punto de reunión. Esa forma de verlo todavía puede tener alguna utilidad. Pero yo divago.

En este punto, estoy repitiendo la explicación de Wikipedia , pero consulte la segunda imagen en esta respuesta. Bajo algunas suposiciones , el fluido no cruza las líneas de corriente azules . Eso significa que cuando el tamaño del canal entre 2 líneas de corriente azules se estrecha o se ensancha, la velocidad del fluido cambia en consecuencia. Todavía estoy descartando muchos detalles técnicos, pero permítanme ofrecer esto como respuesta de nivel básico.

El fluido en la parte superior del ala se acelera y el fluido en la parte inferior del viento se ralentiza en comparación con la velocidad de la aeronave porque la geometría y el ángulo del ala reducen el área de flujo sobre el ala y amplían el área de flujo debajo del ala.

Esta es la mejor explicación absoluta que tengo. Si asume que el fluido es incompresible, funciona muy bien, si no, funciona menos pero aún funciona. También hay algunas otras suposiciones, espero que el punto general siga siendo el mismo con todos los incluidos. El texto en negrita es la mejor respuesta que tengo y creo que es una buena.

Un fluido solo transmite fuerzas a través de la presión. Si un perfil aerodinámico genera sustentación, esto debe deberse a que la parte superior está a una presión más baja que la parte inferior en el flujo de estado estable. La cantidad de sustentación puede entenderse por la tasa de desviación del aire hacia abajo, pero el mecanismo de sustentación es siempre de alta presión en la parte inferior y de baja presión en la parte superior. Las regiones de baja presión aceleran un fluido y las regiones de alta presión lo ralentizan, simplemente porque el fluido está haciendo trabajo para ingresar a la región de alta presión y se le ha realizado trabajo para ingresar a la región de baja presión. Por lo tanto, la velocidad en la parte superior es mayor que en la parte inferior.

Sin embargo, la velocidad en la parte superior e inferior no garantiza que el tiempo de tránsito sea el mismo, por lo que la explicación de que el perfil aerodinámico se eleva porque el aire de arriba se mueve más rápido es incorrecta. Pero las regiones de baja y alta presión existen. Tenga en cuenta que si hace que el ángulo de ataque de un perfil aerodinámico sea tal que el aire que pasa por él se desvía hacia arriba, la presión en la parte inferior es menor y en la parte superior es mayor, por lo que el aire en la parte superior se mueve más lentamente.

Básicamente, el aire fluye más rápido por la parte superior, pero no porque tenga que obedecer alguna regla de 'igualdad de tiempo'; en realidad es una regla totalmente inventada que no es cierta.

El ala está en ángulo, y detrás de la parte superior del ala hay un área de menor presión, muy simple, el ala acaba de salir de ese lugar, como un pistón de bomba, el aire tiene que girar para encontrarse con el ala. Delante del ala hay una zona de mayor presión, porque el aire está siendo empujado por el ala. Esta diferencia de presión actúa sobre el ala y produce sustentación.

La ley de Bernoulli, citada con frecuencia, necesita alguna explicación.

Es realmente muy simple. Cuando el aire fluye hacia el área de baja presión, se acelera de manera similar a como baja una montaña rusa: ¡es succionado hacia el área de baja presión! Y cuando entra en alta presión, se ralentiza como si subiera una montaña rusa. Cuando no hay fricción entre las líneas de flujo, la única forma en que la velocidad del flujo puede cambiar es a través de esta aceleración y desaceleración impulsadas por la presión. El aire que ingresa al área de baja presión en la parte superior del ala se acelera. El aire que ingresa al área de alta presión en la parte inferior se ralentiza. Es por eso que el aire en la parte superior se mueve más rápido.

Eso da como resultado la desviación del aire hacia abajo, lo que se requiere para generar sustentación debido a la conservación del impulso (que es una verdadera ley de la física). Para que el aire se desvíe hacia abajo, es necesario que el aire en la parte superior vaya más rápido, pero esto no es una explicación de cómo hicimos que el aire se moviera más rápido en la parte superior, es simplemente una explicación de por qué querríamos hacerlo.

La explicación común de la sustentación lo hace al revés: asume un flujo más rápido sobre la parte superior del perfil aerodinámico, usando una ley inventada e incorrecta de igual tiempo de tránsito para justificar esto, luego usa la relación de Bernoulli entre velocidad y presión para explicar la baja presión y la sustentación.

En los libros de texto introductorios comunes, se adopta el enfoque para reducir todo a cosas que no se puede culpar al autor por no explicar, idealmente 'leyes'. El objetivo es esencialmente psicológico; producir un sentimiento de comprensión en la mente del lector típico.

La ciencia funciona de manera diferente; en lugar de esforzarse por lograr un sentimiento particular en la cabeza, produce teorías que deberían permitir predecir cosas.

La característica esencial de un ala es que redirige el flujo de aire. El aire que se aproxima se mueve horizontalmente (en relación con el avión), y detrás del ala la masa de aire tiene un componente de velocidad hacia abajo.

En efecto, la masa de aire que se mueve en relación con el ala está doblando una esquina . De ello se deduce que la masa de aire en el "carril exterior" cubre una distancia mayor que la masa de aire que sigue al "carril interior".

El ascensor surge de la dinámica de acción-reacción . A modo de comparación: el rotor de un helicóptero produce sustentación al ejercer una fuerza sobre el aire. Esta fuerza acelera la masa de aire hacia abajo y la reacción lleva al helicóptero.

El fenómeno principal es la masa de aire que es redirigida (hacia abajo) por el ala. Esto tiene dos consecuencias:
* El ala produce sustentación
* La masa de aire fluye más rápido sobre la parte superior del ala

Es común ver la sugerencia de que la masa de aire que fluye más rápido en la parte superior es lo que produce la sustentación. Sin embargo, ese no es el resumen real de causa a efecto. Lo principal es que la masa de aire está siendo redirigida.

Aquí hay una imagen que muestra el flujo de aire alrededor de un ala.

Uno podría fácilmente tener la impresión de que la sustentación en el ala es producida por el aire que se desvía de la parte inferior de la misma. Es cierto que puede haber algo de sustentación debido a esto, sin embargo, la mayor parte de la sustentación se genera debido a la acción en la parte superior del ala.

Imagina que la línea de corriente$A$en la figura de arriba apenas roza el punto más alto en la parte superior del ala. Si ninguna fuerza externa actuara sobre esta línea de corriente, iría tangencialmente recta hasta ese punto y no seguiría al ala. Esto daría como resultado una especie de vacío entre la línea aerodinámica y el ala. Por lo tanto, la línea de corriente sería empujada hacia abajo para seguir la superficie del ala debido a la diferencia de presión por encima y por debajo de ella, y también aceleraría durante el curso. la aerodinámica$B$que se encuentra justo encima$A$se doblaría de manera similar para seguir$A$, y así.

La presión en la parte superior del ala es menor que la presión ambiental, y esta es la base principal para la generación de sustentación.

También tenga en cuenta que esta disminución en la presión del aire (con respecto a la presión ambiental) por encima de la parte superior del ala disminuye al aumentar la distancia desde el ala.

Aquí hay una simulación que muestra la diferencia en la velocidad de las líneas de corriente por encima y por debajo del ala. A diferencia del concepto erróneo común, las líneas de corriente que se separan en la punta del ala no se encuentran en la cola del ala.

Recuerdo remotamente compararlo con la relación presión-flujo en las tuberías: debido al principio de Bernoulli, la parte superior del perfil aerodinámico actúa como una "tubería" delgada, en la que (si se respeta la conservación del volumen / masa) para transportar más fluido, fluye más rápido , disminuyendo la presión sobre la tubería (aumentando la presión en la dirección del flujo).

Esa es la razón de la reducción de la presión sobre la parte superior del perfil aerodinámico y la elevación

Creo que la inclinación se usa por razones de estiramiento (amplificación, pero no la causa del levantamiento), por lo que la llanura también volará con alas paralelas al suelo.

@xkcd: volar en la espalda puede implicar mucha dirección en la dirección opuesta (arriba)

La cuña delantera del ala del avión golpea con fuerza el viento que embiste, debido a la geometría de la parte superior del ala, por lo que la masa de aire en el punto de colisión es empujada hacia arriba.

Entonces, las moléculas de aire justo detrás del ala son más delgadas y se vuelven más delgadas cuando el avión que viaja cambia de posición hacia adelante. La masa de aire densa hacia abajo del ala empuja hacia arriba el avión hacia esta cavidad detrás de la cuña, que tiene baja presión en el interior debido a que hay menos moléculas en el interior. . Como la cavidad contiene menos moléculas, las moléculas de la masa de aire que se precipitan hacia atrás tienen una ruta más libre para viajar hacia la cola, por lo que tienen más velocidad.

Esto explica la creación de baja presión y alta velocidad en la parte superior. La velocidad más alta en la parte superior y la distancia más larga sobre la superficie curva aseguran que la masa de aire que fluye por la parte superior separada en la cuña se una a la corriente que fluye a través de la parte inferior del ala al mismo tiempo que pasa sobre la cola. Aquí la ecuación de Bernoulli tiene lugar mientras que el ascensor descrito anteriormente actúa según las leyes de Newton. De hecho, ambas leyes significan lo mismo con Bernoulli describiendo un efecto secundario de la de Newton, usando diferentes redacciones.

En términos sencillos: es el mismo fenómeno que sacar la palma de la mano abierta de un automóvil en movimiento. El ángulo de su mano (ángulo de ataque) determina la fuerza de sustentación. Se trata de la resistencia del aire. El flujo de aire encuentra mayor resistencia debajo del ala (menor velocidad del aire) y escapa por encima del ala (mayor velocidad del aire). El lado superior curvo del ala (si lo hay) hace que el flujo de aire sea aún más fácil, menor resistencia (mayor velocidad). Cuanto más plana es una superficie en ángulo que se mueve hacia adelante, más resistencia presenta. Este mecanismo es principalmente durante el despegue y el aterrizaje. Durante la lucha directa, incluso en un ala de forma uniforme como un ala plana, el aviónsus motores lo confían hacia adelante y lo estabilizan en el aire y lo elevan sus alas. Sin embargo, en este caso el piloto mantiene todo el tiempo un pequeño ángulo de ataque (dependiendo también principalmente de la salida de empuje dada del avión) del avión, de modo que se produce sustentación para mantener el avión en una posición de vuelo horizontal compensando bajo el influencia de la gravedad.

Con un ángulo de ataque cero, no se produce sustentación en un ala plana.

Además, las alas de los aviones normales suelen tener un pequeño ángulo de incidencia fijo preinstalado por el fabricante con respecto a su fuselaje.

Otra interpretación de lo descrito anteriormente, el principio de Bernoulli dice que una mayor velocidad de flujo se traduce en una menor presión y viceversa. Por lo tanto, la presión del aire debajo del ala es más alta que la presión sobre el ala, lo que produce una fuerza de sustentación.

Respuesta corta a su pregunta: el impulso del flujo de aire encuentra menos resistencia (menos superficie del ala contra él) en el lado superior de la trayectoria del ala y escapa allí con mayor velocidad. La superficie superior curvada del perfil aerodinámico presenta incluso menos resistencia al impulso del aire en comparación con la parte inferior de forma plana, ya que la mayor parte de la masa de aire se desliza con muy poca resistencia y fricción.

Primero tienes que detenerte y mirar lo que realmente sucede cuando un avión vuela. El aire no se mueve, el avión sí, ya sea un ala de rotor o un ala fija. Se aplican los mismos principios. Bernoulie y Newton tienen razón porque miran lo mismo. El aire es fluido y la presión del aire es igual alrededor del ala. El ala choca contra el aire separando las moléculas de aire. El aire en la parte superior es expulsado a gran velocidad. Esto hace que las moléculas de aire en la parte superior golpeen más moléculas más arriba. Justo detrás de la cresta aerodinámica se encuentra el punto más bajo de presión de aire. Esta es la razón por la que un ala larga crea más sustentación. Dado que el aire es fluido, está empujando contra las moléculas en la parte trasera en la presión de aire estática. Entonces se ven obligados a regresar a la superficie. ¡Ese es Bernoulie!, el lado inferior es Newton, el aire se comprime contra la parte inferior del ala dependiendo del ángulo de ataque, el ala funciona como una cuña y se desliza hacia arriba por el aire. Las alas con camber más bajo funcionan mejor para jets debido a la alta turbulencia a mayor velocidad. Esta explicación puede ser diferente de la que obtendrá en la mayoría de los lugares. Pero tenía la misma pregunta y tuve que resolverla debido a las respuestas de chicle.