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UACH Fisica De Las Ciencias Forestales 2 2 Nadar Y Volar
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UACH Fisica De Las Ciencias Forestales 2 2 Nadar Y Volar

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UACH Lecture, Spring 2008
UACH Lecture, Atum 2009

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  • 1. 2 Biofísica 2.2 Volar y Nadar Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Comprender como las aves vuelan, los peces nadan y los microorganismos se desplazan en el agua. www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 2. El trabajo El trabajo será mayor mientras mas largo sea el camino que debamos recorrer. www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 3. La definición de trabajo Gaspard Coriolis (1792–1843) {Trabajo mecánico} = {Fuerza a lo largo de un camino} x {el camino recorrido} www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 4. Trabajo contra la gravitación Un ejemplo de camino recorrido es cuando subimos una escalera. La fuerza es El camino es igual a la altura que alcanzamos El trabajo para subir la escalera es www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 5. Energia cinética Cuando la bolita baja convierte su Energia Potencial en movimiento lo que se denomina Energia Cinética. Caso aceleración constante: Fuerza Camino Variación de la Energia cinética www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 6. Transformación de energía potencial en cinética Si realizamos el trabajo de subir la bolita a la cúspide haremos un trabajo igual a que quedara disponible como Energia Potencial que puede convertirse en parte en Energia Cinética si la bolita rueda por una de las dos laderas: Trabajo hasta la cima: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 7. Energia total En general la energía se puede escribir como la suma de la Energia Cinética y la Energia Potencial [J = Joule = kg m2/s2] La primera se deja calcular de la velocidad: La segunda depende de la fuerza y es por ejemplo: (caso gravitacional) (caso fuerza harmónica … resortes, péndulos, etc.) www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 8. Potencia La potencia es la “velocidad con que puedo generar energía” Potencia [J/s = W (Watt)] Fuerza paralela a la dirección de movimiento [N] Velocidad del movimiento [m/s] www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 9. Ecuación de Bernoulli Daniel Bernoulli (1700-1782) Densidad [kg/m3] Velocidad [m/s] Presión [Pa] Constante gravitacional [m/s2] Altura del medio [m] www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 10. Presión del agua Consecuencia de la conservación del fluido: El flujo es igual (no se pierde o gana fluido) Se obtiene así la ecuación de conservación: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 11. Tipo de corriente Numero de Reynold Numero de Reynold [-] Densidad [kg/m3] Radio de la esfera [m] Velocidad [m/s] Viscosidad [Pa s] 20 - 2000 11 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 12. Ecuación de Bernoulli Cuidado: esto es solo para corriente laminar o sea NO es aplicable a aviones (pese al dibujo del ala). 1 2 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 13. Ecuación de Bernoulli En Aviones: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 14. Fuerza de sustentación Ley de Sustentación Fuerza de Sustentación [N] Densidad [kg/m3] Coeficiente de sustentación [-] Superficie del ala [m2] Velocidad [m/s] 14 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 15. Angulo de ataque A B C D C B Stall A D Angulo de ataque www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 16. Aterrizaje Stall Angulo de ataque Para mantener la altura y no caer: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 17. Ley de Resistencia turbulento Ley de Resistencia Turbulenta Fuerza de Resistencia [N] Densidad [kg/m3] Coeficiente de resistencia [-] Sección [m2] Velocidad [m/s] 17 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 18. Volar Resistencia por ángulo de ataque: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 19. Volar Resistencia total: Potencia necesaria para volar La ecuación se puede reescribir como con y un mínimo en: www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 20. Volar Resistencia sustentación Potencia máxima Resistencia aerodinámica Velocidad de … aterrizaje migración fuga www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 21. Aterrizaje y Despegue www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 22. Volar Planear www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 23. Volar En corriente ascendente www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 24. Volar www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 25. Volar www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 26. Volar Plumas para volar Reforzamiento Plumas para aislar www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 27. Volar Proporción del ala Proporción del ala Área del ala [m2] Envergadura del ala [m] www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 28. Alas 2.6 Malo para planear, ideal para vuelo de baja potencia con gran control de movimiento Gran movilidad en el planear, difícil para aletear 3.0 por lo que prefiere corrientes ascendentes 3.5 Bueno para planear, optimo para migraciones Optimo para planear, alto control y aprovechamiento de corrientes 3.7 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 29. Planear Ecuaciones para caracterizar el planear www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 30. También aplicable a veleros www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 31. Centro de gravedad www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 32. Volar www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 33. Descripción del movimiento www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 34. Descripción del movimiento www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 35. Descripción del movimiento www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 36. Descripción del movimiento Al volar en la posición lateral de la estela turbulenta el pajar ahorra como el 40% de su energía. www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 37. Como nada un pez Como nada un pez www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 38. Forma del Pez 0.25 www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 39. Como nada un pez Fuerza generada Propulsión Contracción de músculos Dilatación de músculos www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 40. Como nada un pez www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 41. Descripción del movimiento Calle de Karman tradicional = resistencia por succión Calle de Karman invertida = propulsión www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 42. Descripción del movimiento La calle de Karman es descrita por el numero de Strouhal Numero de Strouhal Numero de Strouhal (0.25…0.35) Distancia entre vortex: Frecuencia de la cola [Hz=1/s] Amplitud de la oscilación [m] Velocidad [m/s] Ejemplo: Amplitud 10 cm, St=0.3, Frecuencia 2.5 Hz -> v=0.833 m/s, l=16.67 cm Frecuencia 0.5 Hz -> v=0.167 m/s, l=3.34 cm www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 43. Descripción del movimiento Porque nadan los peces en cardúmenes? www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 44. Descripción del movimiento El pez que nada mas atrás Puede aprovechar parte de la energía generada por el pez que lo antecede. Nadan así 2-6 veces mas largo que un pez individual. www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 45. Descripción del movimiento Como nada un microorganismo www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09
  • 46. Descripción del movimiento Látigos de 5-10μm de largo y 200nm de diámetro. www.gphysics.net – UACH-Fisica-de-las-Ciencias-Forestales-2-2-Volar-y-Nadar-Versión 04.09