grupo naturalista taller de física de ciencias naturales y museo. unlp
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Grupo Naturalista Taller de Física de Ciencias Naturales y Museo. UNLP
Aplicar herramientas metodológicas aprendidas en el taller de física en un caso específico de biología : La sustentación en el aire de las aves.
Presentar una problemática de interés que estimule la formulación de preguntas y la aplicación de las herramientas físicas por NECESIDAD.
Enfocar en la utilización de modelos y sus limitaciones .
¿Cuál sería el objeto de estudio? ¿Cómo lo modelizarías? ¿Marco de referencia? ¿Sistema de coordenadas?
Marco teóricoMecánica de Newton. Aplicada a fluidos, Teorema de
Bernoulli Herramientas Metodológicas
Objeto de estudioUn Ave
Modelo Ave como partícula primero y cuerpo rígido
después.Aire como fluido ideal.Elemento de volumen
Marco de Referencia InercialEl suelo.
Sistema de Coordenadas.(X) horizontal(Y) vertical
Escenario I
Y +
X+
Se supone un ave como partícula volando en equilibro.
Se analizan sus interacciones
A
T Ai
Aplicando la 2da ley de Newton
dt
0 ATAAi FFAve
AAiF
ATF
¿Con quién interactúa nuestro objeto de estudio?
¿Cómo explicamos la fuerza que hace el aire?
La suma en y da:
En un flujo estacionario de un fluido ideal la trayectoria de un elemento de volumen se representa gráficamente como una línea (línea de corriente)
En un fluido incompresible, mayor cantidad de líneas de
corriente en superficies iguales indica más velocidad de los
elementos de fluido
D C
A B
Con el teorema de Bernoullipodemos relacionar la velocidad de
los elementos de volumen y las presiones por encima y por debajo
del ala del ave.
D C
A B
V
V
P
P2B
2A ρv2
1ρρv21ρ BBAA gypgyp
2C
2D ρv2
1ρρv21ρ CCDD gypgyp
2B
2c ρv2
1ρv21 Bc pp
Como en A y en D todos los parámetros son iguales (despreciamos por ínfima la diferencia de altura), podemos comparar C y B
Podemos calcular la diferencia de presiones entre C y B
La fuerza del aire sobre el ave podremos escribirla como:
ccbb APAPF aai ..
B2c ρv21ρv2
1 cB pp
2B
2c ρv2
1ρv21 Bc pp
DC
A B
V
V
P
Pccb APPF aai ).(
)v-ρA(v21 2
b2c AAiF
0)v-ρA(v21 2
b2c mg
Multiplicando por el área obtenemos
la fuerza del aire
Volviendo al balance de fuerzas
Es necesario un análisis más complejo.
Todo muy lindo, pero...
• ¿Cómo puede un avión volar invertido?
• El perfil del ala de los aviones acrobáticos es simétrico
Es el ángulo formado entre la dirección del flujo exterior y longitud característica del perfil.
Experimentalmente se sabe que el ángulo de ataque es una
variable relevante en la
fuerza de sustentación
Si el ángulo de ataque del ala es relativamente alto, se pierde
sustentación.
Mayor curvatura Mayor diferencia de velocidad Mayor diferencia de presión mayor sustentación.
Perfiles finos: la cantidad de líneas de flujo por debajo y encima del ala son comparables. Ambos lados contribuyen por igual a al sustentación.
Perfiles gruesos: hay regiones con diferentes sentidos de curvatura en la superficie inferior. Lo que indica la existencia de área con sobrepresión y áreas
con succión. Por lo que esta sección no colabora con la fuerza neta.
Los perfiles finos son mas eficientes para generar ascensión. Las Aves Tienen Alas Finas y Curvas
La superficie y forma de las alas.
La densidad del aire.
El ángulo de ataque.
Los efectos de la viscosidad y compresibilidad del fluido.
¿Qué consecuencias tendría respecto a la sustentación la
aparición de turbulencias dentro
de la capa límite y a qué podría
deberse?
Estamos afirmando que el flujo es laminar tanto por fuera como por dentro de la capa límite.
Re ≤ 2100 flujo Laminar Re ≥ 3000 Flujo Turbulento
Situar la transición de laminar a
turbulenta en el punto óptimo, de forma
que se pueda prolongar la capa
límite laminar todo lo
posible.además las aves
tienenOtras estrategias para
evitarEl desprendimiento.
La pérdida de velocidad (aumenta la resistencia) se puede retrasar si se impide la separación de la capa de aire en el flujo laminar. El álula controla la aerodinámica q pasa por el ala e impide la separación temprana según aumenta el
ángulo de ataque.
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