Grupo Naturalista Taller de Física de Ciencias Naturales y
Museo. UNLP
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
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?

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+
Se supone un ave como partícula
volando en equilibro.
Se analizan sus interacciones
¿Con quién interactúa nuestro objeto de estudio?
A
T
Ai
Aplicando la 2da ley de Newton

 dp
 F  dt

FAi  A

FT  A
Ave
La suma en y da:
FAi A  FT  A  0
¿Cómo explicamos la fuerza que hace el aire?
En un flujo estacionario de un fluido ideal la trayectoria de un
elemento de volumen se representa gráficamente como una línea (línea
de corriente)
D
C
A
B
En un fluido incompresible,
mayor cantidad de líneas de
corriente en superficies iguales
indica más velocidad de los
elementos de fluido
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.
D
C
V
P
pD  ρgyD  1 ρv D  pC  ρgyC  1 ρvC
2
2
2
A
B
V
2
P
p A  ρgy A  1 ρv A  pB  ρgyB  1 ρv B
2
2
2
 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
2
2
1
1
pc 
ρv c  pB 
ρv B
2
2
2
La fuerza del aire sobre el ave podremos escribirla como:
Fai  a  Pb. Ab  Pc. Ac
Fa i  a  ( Pb  Pc). Ac
2
2
1
1
pc 
ρv c  pB 
ρv B
2
2
2
1
pB  pc 
ρv c  1 ρv B
2
2
D
A
C
B
V
P
V P
Multiplicando por el área
obtenemos
la fuerza del aire
FAi A
2
2
1

ρA(v c - v b )
2
Volviendo al balance de fuerzas
1 ρA(v 2 - v 2 )  mg  0
c
b
2
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
.
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.
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?
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
tienen
Otras estrategias para
evitar
El 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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