Aproximaci

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Aproximación Física a la Sustentación Aérea de
las Aves
Grupo Naturalista Taller de Física de Ciencias
Naturales y Museo. UNLP
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Objetivos

• 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 .

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Vuelo

• Las aves lo largo de su evolución han resuelto
  las tres barreras básicas que
• impedían el vuelo a saber
• 1.- Potencia adecuada con peso limitado.
• (huesos neumáticos, pérdida de dientes,
• sacos aéreos, endotermos).
• 2.- Superficies aerodinámicas eficientes
• (contorno aerodinámico, plumas)
• 3.-Resolución de los problemas de estabilidad
  (plumas timoneras)

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5 minutos para pensar.Cómo se produce la
sustentación de las aves?

• Cuál sería el objeto de estudio?
• Cómo lo modelizarías?
• Marco de referencia?
• Sistema de coordenadas?

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Escenario I

• Marco teórico
• Mecánica de Newton. Aplicada a fluidos, Teorema
  de Bernoulli
• Herramientas Metodológicas
• Objeto de estudio
• Un Ave
• Modelo
• Ave como partícula primero y cuerpo rígido
  después.
• Aire como fluido ideal.
• Elemento de volumen
• Marco de Referencia Inercial
• El suelo.
• Sistema de Coordenadas.
• (X) horizontal
• (Y) vertical

Y
X
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Se supone un ave como partícula volando en
equilibro. Se analizan sus interacciones
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Con quién interactúa nuestro objeto de estudio?
Aplicando la 2da ley de Newton
La suma en y da
Cómo explicamos la fuerza que hace el aire?
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Ecuación de Continuidad

• En un flujo estacionario de un fluido ideal la
  trayectoria de un elemento de volumen se
  representa gráficamente como una línea (línea de
  corriente)

C
D
A
B
En un fluido incompresible, mayor cantidad de
líneas de corriente en superficies iguales indica
más velocidad de los elementos de fluido
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Con el teorema de Bernoulli podemos relacionar la
velocidad de los elementos de volumen y las
presiones por encima y por debajo del ala del
ave.

• 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

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La fuerza del aire sobre el ave podremos
escribirla como

• Y por Bernoulli

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Multiplicando por el área obtenemos la fuerza
del aire
Volviendo al balance de fuerzas
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• Todo muy lindo, pero...
• Cómo puede un avión volar invertido?
• El perfil del ala de los aviones acrobáticos es
  simétrico

Es necesario un análisis más complejo .
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Una vuelta de tuerca

• 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

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Ángulo de Ataque
Si el ángulo de ataque del ala es relativamente
alto, se pierde sustentación.
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Perfiles AerodinámicosCuál de estos perfiles
les parece que favorece la 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
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Capa límite

• Zona de interacción de fluido-ala
• Se originan las fuerzas de resistencia opuestas
  al movimiento debido a la interacción entre el
  fluido y el sólido.
• L a viscosidad NO es despreciable!
• La velocidad del fluido en lo capa límite
  varía de 0 hasta el 99 del valor de la corriente
  no perturbada

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El ancho y la forma de la capa límite depende de
nuevas variables

• La superficie y forma de las alas.
• La densidad del aire.
• El ángulo de ataque.
• Los efectos de la viscosidad y compresibilidad
• del fluido.

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Dentro de la capa límite el flujo puede ser
Laminar las partículas se mueven en
trayectorias linealesTurbulento las
trayectorias son irregulares
Estamos afirmando que el flujo es laminar tanto
por fuera como por dentro de la capa límite.

• Qué consecuencias tendría
• respecto a la sustentación la
• aparición de turbulencias dentro
• de la capa límite y a qué podría
• deberse?

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Determinado por el Número de Reynolds
Re 2100 flujo Laminar Re 3000 Flujo
Turbulento
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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 tienen Otras estrategias para evitar El
desprendimiento.
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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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Comentarios finales

• El Teorema de Bernoulli implica modelizaciones
  sólo como una primera aproximación al fenómeno de
  la sustentación aérea de las aves
• Para un estudio más elaborado debimos incorporar
  nuevas variables como la viscosidad del fluido,
  asociado al concepto de capa límite,
  turbulencia, etc.

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GRACIAAAAASSSTOTALES !!!!!