viernes, 29 de marzo de 2013
Algunos enlaces interesantes
De estos dos enlaces saqué mayormente la info:
- La pizarra de Yuri: http://www.lapizarradeyuri.com/2010/12/16/asi-vuela-un-avion/
- Así funciona el avión: http://www.asifunciona.com/aviacion/af_avion/af_avion5.htm
Sustentación
Hay cuatro fuerzas básicas del vuelo: peso,
empuje, resistencia al avance y sustentación.
Fuerzas básicas del vuelo
La resistencia al avance o arrastre obedece a
varios fenómenos a la vez, entre los que se encuentra el rozamiento, y que podríamos resumir como la suma de
las fuerzas que actúan en sentido opuesto al empuje.
La sustentación es una fuerza aerodinámica perpendicular al flujo del aire, que se produce
cuando un objeto avanza a través del mismo.
Cualquier objeto puede producir sustentación, pero
sólo los objetos con un determinado perfil producen más sustentación que arrastre para vencer al peso eficientemente. Este
perfil es el denominado perfil alar (airfoil). La eficiencia de un ala se mide mediante la relación
sustentación-arrastre (lift-to-drag ratio).
Perfil del ala
El elemento esencial para entender la
sustentación no es la forma del ala, sino el
ángulo de ataque y
que es el
ángulo entre la cuerda alar y la dirección del aire.
El ala provoca un cambio en el momento del aire que está desviando a razón de cientos o miles de
toneladas por segundo (acción) y a cambio se produce en la misma una fuerza
igual y opuesta (reacción). Si el aire está siendo desviado hacia el suelo,
esta fuerza igual y opuesta empuja hacia el cielo. Eso es, exactamente, la
sustentación.
Flujo de aire en torno a un ala en avance.
La manera precisa como se desarrollan
estos flujos de aire y la sustentación consiguiente es extremadamente compleja
y se describe mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. A pesar de esta complejidad en el
detalle, algunos elementos principales de la sustentación se pueden describir de forma bastante sencilla, pues se
derivan directamente de las leyes newtonianas que son centrales al fenómeno.
Avión en vuelo
Como puede observarse en la imagen, al
paso del ala hay una gran cantidad de aire que resulta desviada hacia abajo (downwash).
Si el ala está invertida, siempre que se mantenga el ángulo de ataque, el flujo
de aire sigue circulando hacia abajo. De hecho, esto es exactamente lo que hace
un piloto para volar en invertido: ajustar el ángulo de ataque. Y, por
supuesto, el fenómeno también se produce con un ala totalmente plana como la de
un avioncito de papel.
De
hecho, el perfil alar es esencialmente irrelevante para la sustentación. La
importancia del perfil alar está relacionada con el arrastre, y por tanto con
la relación sustentación-arrastre (lift-to-drag ratio) que definirá finalmente la
eficiencia del ala. Pero la sustentación a secas tiene muy poco que ver con el
perfil alar y mucho con este ángulo de ataque y la formación del downwash.
¿Cuánto
aire desvía hacia abajo el ala en forma de downwash?
Una avioneta Cessna 172 de 1.045 kg
volando a 220 km/h con un ángulo de ataque alar de 5º desvía unas trescientas
toneladas por minuto; un avión grande a velocidades próximas a Mach 1, miles de
toneladas por segundo.
. 
Flujo potencial de
aire en torno a un ala con perfil Kármán-Trefftz a 8º de ángulo de ataque.
¿Y por
qué la formación del downwash produce sustentación? Cosas de Newton, y específicamente
de su tercera ley del movimiento.
Estos principios rigen también para
los avioncitos de papel.
Una explicación un poco más
extensa (para leer con
paciencia)
La sustentación es una fuerza reactiva igual y opuesta a la
transferencia de momento al aire ocasionada por el ala. Dado que el momento es
igual a la masa por la velocidad, la sustentación es directamente proporcional
a la cantidad de aire desviado y la velocidad vertical del mismo: cuanto más
aire se desvíe a mayor velocidad vertical, más aumenta la sustentación, y
viceversa. Por eso un ala de gran longitud a gran ángulo de ataque genera mucha
más sustentación que un ala de poca superficie a poco ángulo de ataque: el
ángulo de ataque determina cuál va a ser el componente vertical de la masa de
aire desviada, mientras que la superficie alar define cuánto aire se desviará.
La masa de aire desviada es directamente proporcional a la
velocidad del ala, a su longitud y la densidad del propio aire. Si la densidad
del aire es baja (como sucede, por ejemplo, a gran altitud) hace falta un ala
más grande o más veloz para desviar la misma masa de aire. Por este motivo, los
aviones que deben volar a gran altitud tienen alas muy largas y/o motores muy
potentes.
La velocidad
vertical de la masa de aire desviada es directamente proporcional al ángulo de
ataque (como ya hemos dicho) pero también a la velocidad del ala. A mayor
velocidad de avance, se puede obtener la misma sustentación con un ángulo de
ataque menor. Por eso, a poca velocidad (por ejemplo, durante un aterrizaje) el
ángulo de ataque se incrementa mucho.
Conforme la
carga de la aeronave aumenta, se requiere más sustentación. Eso significa que
se requiere más velocidad del ala, más longitud del ala (en la práctica, más
área, pues de lo contrario la carga alar será muy elevada y se romperá) y/o más ángulo de ataque.
En la sustentación
aerodinámica actúa también otro efecto significativo: los vórtices. En la parte superior del ala la presión
suele ser más baja que en la parte inferior. En la punta del ala, el aire tiene
libertad para moverse de la zona de alta presión (debajo) a la zona de baja
presión (arriba), lo que genera una fuerte turbulencia en espiral que son estos
vórtices. Esto produce un componente de downwash adicional, muy intenso en
el extremo del ala y más débil hacia el centro de la
aeronave, que contribuye significativamente a la sustentación final (a favor o
en contra dependiendo del tipo de vuelo; en los aviones, generalmente actúan en
contra). Algunas aves ligeras como los colibrís y numerosos insectos son
capaces de mantener vuelo estacionario exclusivamente mediante la generación de
esta clase de turbulencias, batiendo sus alas (si bien a un coste energético
elevado).
Los vórtices de extremo alar son también el
componente básico de la estela
turbulenta que las aeronaves dejan detrás. Los winglets(esas aletitas en las puntas de las alas
que llevan los aviones modernos) sirven para optimizar la generación de estos
vórtices (minimizándolos, ya que en este caso actúan en contra).
jueves, 28 de marzo de 2013
Transmisión de energía por convección - dato curioso
Si buscan experiencias de convección por youtube van a encontrarse con esta secuencia curiosa:
Colocar en el navegador la palabra "conveccion" sin acento y sin dar click, las opciones que aparecen son las siguientes:
conveccion
conveccion de batman
conveccion de calor
conveccion del manto
conveccion natural
¿A qué no adivinan que página busqué inmediatamente? Obvio.....esto fue lo que encontré:
Colocar en el navegador la palabra "conveccion" sin acento y sin dar click, las opciones que aparecen son las siguientes:
conveccion
conveccion de batman
conveccion de calor
conveccion del manto
conveccion natural
¿A qué no adivinan que página busqué inmediatamente? Obvio.....esto fue lo que encontré:
Transmisión de calor por convección
En la última clase estuvimos charlando que cualquier búsqueda que hagamos acerca de la transmisión de calor por convección, sólo da resultados cualitativos, ya que parece es muy difícil el abordaje cuantitativo.
Estuve pensando que para cerrar este tema, sería bueno (al menos para mí) dar una breve definición para "transferencia de energía por convección", un ejemplo de aplicación y un experimento sencillo. Ahí va......
Podemos definir transferencia de energía por convección a aquella energía que tiene lugar cuando un fluido entra en contacto con un objeto cuya temperatura es mayor que la de su ambiente. Ej: si observamos la llama de una vela o de un fósforo, veremos cómo se transporta energía hacia arriba por convección.
Enfriando motores, una aplicación: el motor de un automóvil se mantiene a una temperatura de operación segura mediante una combinación de conducción y convección forzadas. Circula agua (en realidad una mezcla de agua y anticongelante) en el interior del motor. Cuando la temperatura del metal del bloque del motor aumenta, pasa energía del metal caliente al agua más fría por conducción térmica.La bomba de agua saca el agua del motor y la lleva al radiador junto con la energía que ella posee por convección forzada. En el radiador, el agua caliente pasa por tuberías metálicas que están en contacto con el aire exterior más frío, que por conducción pasan energía al aire. El agua enfriada es devuelta al motor por la bomba de agua para absorber más energía. El proceso de aire que se hace pasar al radiador por el ventilador también es convección forzada.(gracias a Raymond Serway y Jerry Faughn por la información - Fundamentos de Física vol 2).
Estuve pensando que para cerrar este tema, sería bueno (al menos para mí) dar una breve definición para "transferencia de energía por convección", un ejemplo de aplicación y un experimento sencillo. Ahí va......
Podemos definir transferencia de energía por convección a aquella energía que tiene lugar cuando un fluido entra en contacto con un objeto cuya temperatura es mayor que la de su ambiente. Ej: si observamos la llama de una vela o de un fósforo, veremos cómo se transporta energía hacia arriba por convección.
Enfriando motores, una aplicación: el motor de un automóvil se mantiene a una temperatura de operación segura mediante una combinación de conducción y convección forzadas. Circula agua (en realidad una mezcla de agua y anticongelante) en el interior del motor. Cuando la temperatura del metal del bloque del motor aumenta, pasa energía del metal caliente al agua más fría por conducción térmica.La bomba de agua saca el agua del motor y la lleva al radiador junto con la energía que ella posee por convección forzada. En el radiador, el agua caliente pasa por tuberías metálicas que están en contacto con el aire exterior más frío, que por conducción pasan energía al aire. El agua enfriada es devuelta al motor por la bomba de agua para absorber más energía. El proceso de aire que se hace pasar al radiador por el ventilador también es convección forzada.(gracias a Raymond Serway y Jerry Faughn por la información - Fundamentos de Física vol 2).
Imagen de Wikipedia
Una experiencia sencilla: solo se requiere de dos botellas de plástico, agua fría, agua caliente, algo de colorante y un trapo rejilla (para limpiar el enchastre que uno haga). En este momento se me ocurren variantes como: poner la botellita con agua caliente dentro de un recipiente con agua fría en serio (agua con cubitos por ejemplo); invertir el orden, poner abajo la botella de agua fría y arriba la botella de agua caliente; jugar con la diferencia de temperaturas, la difusión y la convección un rato más.
Video de Wikipedia
martes, 26 de marzo de 2013
Fluidos I, Arquimedes, la gallinita y las burbujas!
Hoy vamos a ver la segunda parte de Fluidos I, que involucra flotación (principio de Arquímedes) , tensión superficial y capilaridad. Todo esto es una excusa, por supuesto, para preguntar ¿Por qué la gallina dijo Eureka?
Y para preguntarnos... ¿Cómo se hacen estas hermosas burbujas gigantes?
viernes, 22 de marzo de 2013
Buscando ejercicios de hidrodinámica en internet, encontré esta página de Ricardo Cabrera que está muy buena!
http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No_me_salen/FLUIDOS/index_fluidos.html
Tiene definiciones, ejercicios, tips y chusmeríos, no sólo de hidrostática e hidrodinámica, sino también de otros temas de Física.
Favor no perderse los comentarios que están en letra chiquita.
Se agradece la colaboración de la página "NO ME SALEN" de Ricardo Cabrera y equipo (cito fuente y aclaro que soy de Argentinos Juniors)
http://neuro.qi.fcen.uba.ar/ricuti/No_me_salen/FLUIDOS/index_fluidos.html
Tiene definiciones, ejercicios, tips y chusmeríos, no sólo de hidrostática e hidrodinámica, sino también de otros temas de Física.
Favor no perderse los comentarios que están en letra chiquita.
Se agradece la colaboración de la página "NO ME SALEN" de Ricardo Cabrera y equipo (cito fuente y aclaro que soy de Argentinos Juniors)
¿Qué pasaria si?
Muy buena pagina, en inglés. ¿Qué pasaria si? Muchas preguntas sencillas de física que llevan a exploraciones a distintos niveles de nuestra comprensión del mundo! (y muy divertido!)
En este episodio what-if.xkcd.com/33/. ¿Qué pasaría si... removieramos todos los barcos de los mares y oceanos a la vez? ¿Cuánto 'caería' el nivel del mar? ¿Cuánto tiempo tardaría en recuperarse?
En este episodio what-if.xkcd.com/33/. ¿Qué pasaría si... removieramos todos los barcos de los mares y oceanos a la vez? ¿Cuánto 'caería' el nivel del mar? ¿Cuánto tiempo tardaría en recuperarse?
jueves, 21 de marzo de 2013
Experimentos con fluidos en el espacio
Mire este experimento realizado en el espacio, solo hace falta una aguja (puede ser de teflon) una jeringa con agua, un pedazo de papel... y una estación espacial!
Es lo que pasa con particulas cargadas alrededor de una linea cargada!
Es lo que pasa con particulas cargadas alrededor de una linea cargada!
Principio de Bernoulli: experiencias sencillas
Otro tema que estamos estudiando es el principio de Bernoulli, en el cual se relaciona la presión de un fluido con su Energía cinética y potencial.
En el siguiente video se muestran experiencias sencillas que pueden ser explicadas mediante éste principio.
En el siguiente video se muestran experiencias sencillas que pueden ser explicadas mediante éste principio.
Levantar una persona soplando.
En la última clase estuvimos viendo Principio de Pascal, cuya aplicación más conocida es la prensa hidráulica. El año pasado durante la visita del Dr.Rojo a nuestra ciudad, pudimos realizar un experimento en donde teníamos que levantar a una persona soplando con una bombilla (sorbete). Aquí les muestro algunas fotos sacadas en esa oportunidad.
lunes, 18 de marzo de 2013
Dilatación térmica
La dilatación térmica es un aumento en el tamaño de un cuerpo debido a un aumento en su temperatura, ésto sucede porque cuando se entrega calor a un objeto aumenta la energía cinética de las moléculas. En sólidos las moléculas aumentan su vibración provocando un alejamiento entre ellas.
miércoles, 13 de marzo de 2013
Genial experimento usando agua y sonido
Para precalentar motores en lo que se viene sobre fluidos, vean este experimento buenisimo, usando agua y sonido. ¿Alguien puede explicar que pasa?
martes, 12 de marzo de 2013
Misconceptions entre la relación calor-temperatura
Aquí podemos ver un video sobre conceptos equivocados a la hora de pensar la relación entre el calor y la temperatura.
Batman y la termodinámica
Veo este simpática imagen en Google+.
Pero.. por el afán de educar, no estaremos incurriendo en otro error? Me parece que la segunda frase invita a pensar al calor como un fluido. Que opinan?
Pero.. por el afán de educar, no estaremos incurriendo en otro error? Me parece que la segunda frase invita a pensar al calor como un fluido. Que opinan?
lunes, 11 de marzo de 2013
Pequeño video sobre calor
Encontré este video sobre varios de los temas tratados en la última clase. Aunque no pretende demasiada profundidad, podría servir a modo introductorio en la escuela secundaria.
domingo, 10 de marzo de 2013
Clase del 5 y 7 de marzo
En nuestra primera clase del martes 5 de marzo, conocimos al profesor Ivan Sidelnik, con el que cursaremos Física 4a durante este cuatrimestre. Nos contó sobre los temas que iba a tratar la materia en términos generales, con un resumen de la temática de cada módulo. También se conversó sobre la modalidad de la cursada.
En la siguiente clase del jueves 7 comenzamos con temas referentes a Calor, con una presentación sobre la
historia de la ciencia en lo referente a los estudios y descubrimientos sobre este tema: desde el termómetro de Galileo, pasando por las experiencias de Boyle, la historia de la graduación de Fahrenheit, Celcius, y la equivalencia del Joule-Caloria.
Vimos sobre las 3 formas de transición del calor: conducción, convección y radiación
Luego vimos la forma en que se transmite el calor, tanto en Estados Estacionarios, como en No Estacionarios, con su correspondiente formulación matemática para las formas geométricas de más utilidad: el paralelepípedo, la esfera, y el cilindro.
Finalmente el profesor explicó los conceptos de calor específico y capacidad calorífica.
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| Experimento de Joule |
historia de la ciencia en lo referente a los estudios y descubrimientos sobre este tema: desde el termómetro de Galileo, pasando por las experiencias de Boyle, la historia de la graduación de Fahrenheit, Celcius, y la equivalencia del Joule-Caloria.
Vimos sobre las 3 formas de transición del calor: conducción, convección y radiación
Luego vimos la forma en que se transmite el calor, tanto en Estados Estacionarios, como en No Estacionarios, con su correspondiente formulación matemática para las formas geométricas de más utilidad: el paralelepípedo, la esfera, y el cilindro.
Finalmente el profesor explicó los conceptos de calor específico y capacidad calorífica.
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