Demostraciones prácticas de la ley de Bernoulli

Dibujo20090807_first_demostration_bernoulli_law_Airstream_Past_Two_Bowling_Balls

Una demostración ideal para una clase de física de la Ley de Bernoulli utiliza dos bolas de las usadas en el juego de los bolos (bowling), colgadas en forma de péndulo, separadas por cierta distancia, y un secador de pelo. Al encendender el secador dirigiendo el aire entre la separación de las dos bolas, muchos alumnos pensarán que estas deberían separarse, sin embargo, se acercarán, debido a que la presión entre las bolas se reduce cuando el aire se mueve rápidamente (la famosa ley de Bernoulli). La distancia entre las bolas depende de la velocidad que el secador imprima al aire, con un poco de práctica se determina fácilmente la distancia máxima que garantiza que se acerquen (lo que dota de más espectacularidad al experimento). Nos lo cuentan Harold Cohen, David Horvath, «Two Large-Scale Devices for Demonstrating a Bernoulli Effect,» The Physics Teacher 41: 9-11, January 2003 (disponible gratis aquí, .uba.ar).

Este tipo de demostraciones son espectaculares pero tienen un problema: los alumnos deben saber cuándo es aplicable la ley de Bernoulli y que no siempre es cierto que un flujo de aire rápido viene acompañado de una bajada de la presión. La diferencia de presión en la ley de Bernouilli debe ser tangencial al flujo de aire, siguiendo las líneas de corriente del flujo, nunca transversal. Un experimento sencillo que lo ilustra aparece en Martin Kamela, «Thinking About Bernoulli,» The Physics Teacher 45: 379-381, September 2007.

Un manómetro y un tubo de plástico conectado a un tapón de goma al que adherimos parcialmente un pedazo de cinta adhesiva (para observar que el aire fluye). El manómetro medirá la diferencia de presión en el extremo del tubo respecto a la presión atmosférica. Con una fuente constante de aire obtenemos un flujo que pasará sobre la superior del tapón de goma, que ofrecerá una superficie plana que canalice las líneas de corriente. Ver la figura siguiente. Cuando el tubo no sobresale del tapón, como el flujo de aire es tangencial a la apertura del tubo, estaremos midiendo la presión (estática) del aire transversal al flujo, que para una corriente de aire es la misma que la presión atmosférica (como se ve en la parte izquierda de la figura siguiente). Cuando el tubo sobresale sobre el tapón, observamos que la presión dentro del tubo es ahora más baja que la presión atmosférica. ¿Estamos midiendo la diferencia de presión a lo largo del flujo de aire? Obviamente, no.

Dibujo20090807_second_demostration_bernoulli_law_not_applicable_for_transversal_Airstream_flow

En el primer caso (figura izquierda) está claro que estamos midiendo la presión transversal al flujo y la ley de Bernoulli no es aplicable. ¿Se puede aplicar la ley de Bernoulli en el segundo caso (figura derecha)? Aunque obtenemos el mismo efecto que esperaríamos de la ley de Bernoulli, en este caso, dicha ley tampoco es aplicable. Los estudiantes deben entender que en este caso también estamos midiendo la presión transversal al flujo de aire. ¿Por qué se reduce la presión en el segundo caso? Por que las líneas de corriente del aire que han de superar el obstáculo del trocito de tubo en su camino deben ascender y luego descender, formando líneas de corriente curvadas (semicirculares) que requieren la existencia de una fuerza centrífuga hacia arriba, fuerza que tira del aire en el tubito de plástico, provocando la diferencia de presión observada en el manómetro.

Eres estudiante o profesor de física, este experimento es ideal para comentar… ¿te atreves?

Bernoulli no explica por qué vuelan los aviones (o sobre la circulación alrededor de un ala y cómo los libros de texto a veces se equivocan)

Holger Babinsky, Univ. Cambridge (c) Phys. Education, 2003.

Yo estudié que la ley de Bernoulli permitía explicar la sustentación del ala de un avión, el porqué un avión vuela. Y me lo creí. Cuando estudié las condiciones de Kutta-Jukowski para la fuerza de sustentación de un ala no comprendí que implicaban fácilmente que la explicación anterior es incorrecta. ¿Quién me abrió los ojos?  

Este video es el contenido multimedia del artículo «How do wings work?» de Holger Babinsky, publicado en 2003 Physics Education 38, pp. 497-503, que propone que la popular explicación utilizando la ley de Bernoulli para la fuerza de sustentación del ala de un avión es incorrecta. Como dice W.R. Sears que le dijo Theodore Von Karman (quizás el mayor especialista en aerodinámica de la historia): «Cuando se lo cuentes a personas legas debes recurrir a lo falso pero plausible, en lugar de a lo verdadero aunque difícil» («When you are talking to technically illiterate people you must resort to the plausible falsehood instead of the difficult truth»).

La explicación incorrecta es sencilla. Consideremos el flujo que incide sobre el ala, parte recorre el ala por encima y parte por debajo, siendo el punto de estacamiento donde ambos se separan. Para llegar al otro borde del ala, el fluido que recorre el ala por encima recorre una distancia mayor que el que la recorre por debajo, luego debe hacerlo más rápido. Aplicando la ley de Bernoulli, mayores velocidades implican presiones menores, con lo que se justifica la aparición de la fuerza de sustentación.

¿Por qué esta explicación es incorrecta? ¿Por qué las partículas de fluido por encima y por debajo del ala han de coincider en el extremo opuesto? ¿Por qué han de recorrer longitudes distintas en el mismo tiempo? No es fácil dar la respuesta. Porque no es verdad.

Observando el vídeo (si no lo has hecho ya, este e un buen momento, si lo has hecho, te recomiendo que repitas) en visualización bajo humo pulsado, se observa que el humo por encima del ala se mueven más rápido pero no alcanzan el extremo del ala al mismo tiempo que las van por debajo, llegan antes. Por si te interesa, si llegaran al mismo tiempo no habría sustentación.

¿Cuál es el error con Bernouilli? La ley de Bernouilli reza como sigue. Consideremos una partícula de fluido moviéndose en línea recta en una región sometida a una variación de presión (gradiente). Si la presión desciende conforme la partícula se mueve, la partícula «siente» una fuerza que la obliga a acelerar. Si la presión crece en el camino de la partícula, la partícula se ve obligada a desacelerar. Ahora bien, esto se aplica a lo largo de una línea de corriente, nada se dice sobre lo que pasa en líneas de corriente vecinas. Con lo que la ley de Bernouilli no se puede aplicar a líneas de corriente diferentes (las que van por encima y las que van por debajo del ala). No podemos inferir ningún gradiente de presión entre ellas (debido sólo a la ley de Bernouilli).

¿Cuál es entonces la explicación de la sustentación? El flujo de un fluido alrededor de un objeto se caracteriza por las fuerzas as las que está sujeto (aplicando la ley de Newton). Alrededor de un ala las la fuerza más importante es la presión (tanto la gravedad como la fricción se pueden despreciar).  

Cuando una partícula de fluido se mueve a lo largo de una línea de corriente curvada, ésta debe sufrir una fuerza centrípeta que actúa en dirección normal (perpendicular) a su movimiento, fuerza que sólo puede producirse por variaciones de presión, luego la presión a un lado y a otro de la partícula deben ser diferentes, es decir, la diferencia de presión a ambos lados de la partícula es mayor (menor) a lo largo de su trayectoria si nos movemos en la dirección (dirección opuesta) al centro de curvatura.

dibujo24febrero2008ala.jpg

 

 

Consideremos la figura, cuando nos vemos del punto A al punto B. En A las líneas de corriente son rectas y no hay gradiente de presión. Cerca de B son curvadas y tienen un gradiente de presión. Observando la curvatura, la presión disminuye conforme pasamos de A a B (nos movemos en dirección opuesta al centro de curvatura). Cundo nos movemos de C a D, la líneas de corriente se curvan cada vez más, con lo que la presión en D es mayor que en C (nos movemos a favor del centro de curvatura). Como la presión en B es menor que la presión en D, aparece la fuerza de sustentación.

Por tanto, cualquier geometría del ala que introduzca una curvatura en las líneas de flujo puede producir sustentación. Tanto si el ala es «delgada» como si es «gruesa», pueden estar igualmente curvadas y la sustentación será la misma. Por ejemplo, los pájaros suelen tener alas finas y curvadas, pero los aviones no (debido a que es más fácil almacenar el combustible en el ala que en el propio avión).

¿Cómo es posible que un avión (acrobático) vuele «boca abajo»? Si haces un dibujo de las líneas de corriente verás que la explicación es sencilla, en ese caso el avión tiene una fuerza de sustentación «negativa», necesaria para volar «boca abajo».

En el apéndice del artículo de «How do wings work?» tenéis una derivación matemática de lo aquí explicado, omito las fórmulas siguiendo la ley de Hawking, expresada en la «Historia del Tiempo», cada fórmula reduce a la mitad el número de lectores.

Otras cuestiones relativas al vuelo, como las turbulencias y sus efectos «desagradables» las trataremos otro día, hoy os dejo con un video de una simulación numérica del flujo alrededor de un ala de perfil aerodinámico NACA 63-412 viajando a Mach 0.25 y con un ángulo de ataque de 20º. ¿Qué tal si tratáis de imaginar las líneas de corriente del fluido por encima y por debajo del perfil? ¿Cómo será su curvatura?