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

Question

Entiendo la explicación común de la elevación, que describe el flujo de aire sobre la parte superior del ala como el movimiento más rápido que el aire debajo del ala. Sin embargo, no entiendo muy bien por qué el aire se mueve más rápido.

He leído algunas explicaciones que citan un efecto de circulación entre otros, pero no he encontrado una buena y clara explicación para la causa exacta. ¿Puede alguien ayudarme?

Answer 1

Complemento de Alex Qvist: Cuando el aire llega a 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 esto tira más aire hacia la parte superior del ala, este aire hace lo mismo pero se mueve más rápido debido al vacío que tira de él, y luego el vacío, por supuesto, levanta el ala.

Puesto principal:

La explicación común que se da es que fluye más rápido sobre la parte superior del ala porque la parte superior es más curvada que la parte inferior del ala. Sin embargo, entiendo que esta explicación te parezca insatisfactoria.

Para empezar, creo que hay que identificar el punto en el que se separa el flujo. Mirando Wikipedia Voy a publicar dos imágenes:

El argumento de que el viento fluye más rápido por la parte superior es sobre todo una consecuencia de la geometría. En primer lugar, hay que identificar el punto en el que el flujo se separa, es decir, el punto por encima del cual el fluido pasa por encima y por debajo del cual el fluido pasa por debajo; éste se encuentra ligeramente por debajo del punto más delantero del perfil aerodinámico, debido a que está ligeramente inclinado hacia arriba. Si ambas trayectorias tardan más o menos el mismo tiempo en pasar por encima del ala, la velocidad media del fluido desde el punto de separación hasta la cola donde el flujo se vuelve a unir será aproximadamente proporcional a la distancia de esos dos puntos.

Ahora bien, puedes decir: "¡pero fluirá más rápido por la parte superior aunque ésta no esté más curvada!". Tendrías razón. Un avión puede funcionar sin ninguna curva adicional en la parte superior del ala, como señala el famoso cómic xkcd. Sin embargo, en ese modo de volar, el fluido sigue pasando más rápido por la parte superior del ala. Un argumento sencillo para ello es que el punto de separación está más bajo que la parte delantera del ala, de nuevo, ya que el ala está inclinada hacia arriba. Un avión puede volar al revés, pero no conozco ningún avión que pueda mantener la altitud con las alas no inclinadas hacia arriba. La parte superior curvada, sin embargo, aumenta la eficiencia al intensificar ese efecto natural.

Espero que esto ayude a algunos, esto es intencionalmente no una respuesta rigurosa, y quiero reconocer que no estoy abordando los detalles más peludos de las ecuaciones de fluidos reales asociados 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 tu pregunta es principalmente respondido.

Otro intento

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

Hay dos cosas que quiero señalar aquí.

1. El fluido sobre el ala hace acelerar y el fluido por debajo del ala hace más despacio. Sólo quiero confirmar que esto sigue siendo así.
2. El fluido que va por encima y por debajo no tiene el mismo tiempo de recorrido sobre el ala.

El número 2 es particularmente importante porque simplemente no es correcto decir que la velocidad es proporcional a la distancia entre el punto de separación y el punto de reencuentro. Esa forma de verlo puede seguir teniendo algunos utilidad. Pero estoy divagando.

En este punto estoy repitiendo La explicación de Wikipedia Pero consulte la segunda imagen de esta respuesta. Bajo algunos supuestos 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 ensancha, la velocidad del fluido cambia en consecuencia. Todavía estoy esgrimiendo 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 propia aeronave porque la geometría y el ángulo del ala estrechan el área de flujo por encima del ala y amplían el área de flujo por debajo del ala

Esta es la mejor explicación que tengo. Si asumes que el fluido es incompresible funciona muy bien, si no, funciona menos bien pero sigue funcionando. También hay algunas otras suposiciones, espero que el punto general siga siendo el mismo con todas esas incluidas. El texto en negrita es la mejor respuesta que tengo y piense en es una buena.

Answer 2

Un fluido sólo transmite fuerzas a través de la presión. Si un perfil aéreo genera sustentación, debe ser porque la parte superior está a una presión menor que la inferior en el flujo en estado estacionario. 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 frenan, simplemente porque el fluido está haciendo trabajo para entrar en la región de alta presión y tiene trabajo hecho sobre él para entrar en la región de baja presión. Por lo tanto, la velocidad en la parte superior es mayor que en la inferior.

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

Answer 3

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

El ala está inclinada, y detrás de la parte superior del ala hay un área de menor presión - muy simplemente, el ala acaba de salir de ese lugar - al igual que el pistón de una bomba - el aire tiene que girar para reunirse 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 la sustentación.

La tan citada ley de Bernoulli necesita algunas explicaciones.

Es realmente muy sencillo. Cuando el aire entra en una zona de baja presión, se acelera como una montaña rusa que desciende: es absorbido por la zona de baja presión. Y cuando entra en una zona de alta presión, se ralentiza como una montaña rusa que sube. 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 impulsada por la presión. El aire que entra en la zona de baja presión en la parte superior del ala se acelera. El aire que entra en la zona de alta presión en la parte inferior se ralentiza. Por eso el aire de la parte superior se mueve más rápido.

El resultado es la desviación del aire hacia abajo, lo que es necesario para generar la sustentación debido a la conservación del momento (que es una verdadera ley de la física). Para que el aire se desvíe hacia abajo, es necesario que el aire de la parte superior vaya más rápido, pero esto no es, sin embargo, una explicación de cómo hacemos que el aire se mueva 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: supone un flujo más rápido sobre la parte superior del perfil aéreo, utilizando una ley inventada e incorrecta de tiempo de tránsito igual para justificarlo, y luego utiliza la relación de Bernoulli entre la velocidad y la presión para explicar la baja presión y la sustentación.

En los libros de texto introductorios comunes se adopta el enfoque de reducir todo a cosas que el autor no puede ser culpado por no explicar, idealmente "leyes". El objetivo es esencialmente psicológico: producir sensación de comprensión en la mente del lector típico.

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

Answer 4

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 una componente de velocidad hacia abajo.

En efecto, la masa de aire que se mueve con respecto al ala es girando una esquina . De ello se deduce que la masa de aire del "carril exterior" recorre una distancia mayor que la masa de aire que sigue el "carril interior".

La elevación surge de 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 redirección de la masa de aire (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 elevación. Sin embargo, ese no es el resumen real de la causa al efecto. Lo principal es que la masa de aire está siendo redirigida.

Answer 5

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

Esa es la razón de la reducción de la presión por encima de la parte superior del perfil aerodinámico y el levantamiento

Creo que la inclinación se utiliza por razones de strearing (amplificación, pero no es la causa de la elevación), por lo que la llanura volará con las alas paralelas al suelo también.

@xkcd - volar de espaldas puede implicar mucha dirección en el sentido contrario (arriba)