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

pdF

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.