Bernouli, Coandă & Lift

9
2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 1/9 E What’s What and What's Doing What ver see someone demonstrate lift by blowing over a piece of paper? While this is fun and interesting, the usual explanation given is misleading by claiming it's an effect of the Bernoulli principle — the correlation between air speed and pressure, as speed increases pressure decreases. Many folks were taught this is how planes fly, and they pass this "wisdom" along. But they're fooling themselves, and you. Aerodynamic engineers have know the correct explanation of lift for decades, yet the misconception of Bernoulli principle lift lives on in the public imagination. However, it is not how an airfoil generates lift. That's a whole different kettle of fish. Read either How Planes Can Fly for a breif overview or See How it Flies to get the complete skinny on lift. By the way, the illustrations here are not true diagrams, but visual aids. Fluid behavior is a complicated business which can seem like organised chaos, what with tumbling and swirling, i.e., turbulence. We're not going to get into these details, but concentrate on simplified basics. The Bernoulli Principle What does this correlation between speed and pressure mean? Here's a way to imagine it. If you've ever watched a road race you know the cars slow down and bunch up in tight turns. Speeding up out of the turn they get stretched out. In the picture, a race official with a stopwatch at the turn times the cars as they pass, they are one second apart, though close together. A second official times them on the straight away, where they are also one second apart, though with several carlengths between them.

description

Bernouli, Coandă & Lift

Transcript of Bernouli, Coandă & Lift

Page 1: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 1/9

EWhat’s What and What's Doing What

ver see someone demonstrate lift by blowing over a pieceof  paper?  While  this  is  fun  and  interesting,  the  usualexplanation given is misleading by claiming it's an effect

of the Bernoulli principle — the correlation between air speedand pressure, as speed increases pressure decreases. Manyfolks  were  taught  this  is  how  planes  fly,  and  they  pass  this"wisdom" along. But they're fooling them selves, and you.

Aerodynamic engineers have know the correct explanationof lift  for decades, yet the misconception of Bernoulli principlelift lives on in the public imagination. However, it is not how anairfoil  generates  lift.  That's  a  whole  different  kettle  of  fish.Read either How Planes Can Fly for a breif overview or SeeHow it Flies to get the complete skinny on lift.

By the way, the illustrations here are not true diagrams, butvisual  aids.  Fluid  behavior  is  a  complicated  business whichcan  seem  like  organised  chaos,  what  with  tumbling  andswirling,  i.e.,  turbulence. We're  not  going  to  get  into  thesedetails, but concentrate on simplified basics.

The Bernoulli PrincipleWhat  does  this  correlation  between  speed  and  pressuremean? Here's a  way to  imagine it.  If you've  ever watched  aroad race you know the cars slow down and bunch up in tightturns. Speeding  up out  of the  turn they  get stretched  out. Inthe picture,  a race official  with a  stopwatch at the  turn timesthe  cars  as  they  pass,  they  are  one  second  apart,  thoughclose  together. A  second  official times  them  on  the  straight ­away,  where  they  are  also  one  second  apart,  though  withseveral car­lengths between them.

Page 2: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 2/9

The  same  number  of  cars  will  pass  each  official  in  thesame amount of time, but the  faster they go the more spacethere is between  them. This is what the  Bernoulli principle isabout,  only  with liquids  and  gasses,  not  cars. The  faster  airflows the more it  gets stretched out so there's less  air  in thesame volume, it's less dense.

As  speed  increases  pressure decreases,  and  vice­versa.Higher  speed  means  more  force  in  the  direction  of  flow.  Imean, you'll  take a  bigger hit from a fast car  on the straight ­away  than a  slow  car in  the  turn. This  higher  speed has  aneffect, too. After all, trees  get blown over  in a wind  storm. Isthat  because  of  a  change  of  pressure  or  the  force  of  theairflow? Let's return to wings and airflow and such.

Paper  Lift: Let's  have  a  look  at  a  the  "lift"  demonstrationmentioned  in  the  opening  and  see what  it's  about.  Take  apiece of stiff  paper and curve it  like a wing. Hold  it up underyour mouth and blow on it. It  lifts! (This works similarly with aflimsy sheet of paper because  gravity pulls down the far endcreating a curve.)

The common explanation is the fast airstream over top haslower pressure (the Bernoulli principle) which sucks the paperup. Problem is, this paper lift really demonstrates the Coandăeffect rather than the Bernoulli principle.

The Coandă EffectYou  can  easily  demonstrate  the  Coandă  effect  for  yourselfwith  a  tablespoon  and  faucet. Conveniently,  these  are  often

Page 3: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 3/9

found together in the kitchen, no need for highly technical  labequipment.  Follow  the  steps  you  see  below. Gases  behavepretty much like liquids, so when you see the water behaving

strangely  with  the  spoon,  that's  what  the  air  does with  thecurved paper.

Dangle  the  spoon  as  shown  next  to  the  stream  comingfrom the tap. I say dangle because you want to hold it looselyenough so it can swing back and forth a bit. (It helps to attacha piece of tape at the handle end to act as a hinge.) Move thespoon  up  to  the  edge  of  the  stream  so  it  barely  touches.When you do the water will  flow around the bowl of the spoonand  off  the  bottom  deflected  to  the  side  and  the  spoon willmove into the stream.

Just  as  water flowing  around  the  spoon's curved  surfacedraws  it  into  the  stream,  air blown  over  the  curved paper  iswhat causes the lift  in  that common paper lift demonstration.Imagine the stream of water  turned 90 degrees and you cansee we have the same situation as in the paper lift, only withwater you can see instead of air which you can't.

Notice  how  unlike  a  wing  in  flight  it  is,  flow  on  one  sideonly.  The  Coandă  effect  only  works  in  specific  conditionswhere an isolated jet of fluid (or air) flows across a surface, asituation which is usually man­made. You don't find it much innature  and  doesn't  happen  over a  wing,  either.  Just  so  youknow, there is no Coandă lift on an airfoil.

The  Coandă  effect  is  a  ballancing  act  between  manyfactors,  among  them  speed,  pressure, molecular  attraction,and a centrifugal effect if  the surface is curved. How exactly itworks  is unimportant  to understand  the demonstrations  we'llexamine. But do the spoon test and you'll see that it works. Ican't explain gravity either, but we both know it's real enough.

This  effect  is  named  for  Romanian  air  pioneer  Henri

Page 4: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 4/9

This  effect  is  named  for  Romanian  air  pioneer  HenriCoandă, an interesting character in his own right. Read abouthis  jet  plane built  in  1910.  If  you  are  still  curious  how  theCoanda effect works you might read this explanation.

More misleading "lift" explanationsClashing Balloons: Hang  two balloons  from  strings an  inchor  so  apart.  Blow  a  stream  of  air  between  them  and  theymove together. Now, I show a wind sprite in the picture, but  ifone is not around do it yourself.

Railroad Bottles: Set a  pair of empty soda  bottles about aninch  or so  apart on  a  counter or  table.  Blow a  stream of  airbetween them and they move together.

The  explanation  usually  given  for  both  phenomena  is  byspeeding up the air between the balloons and the bottles youreduce  the  pressure  in  the  airstream  as  per  the  Bernoulliprinciple. The lower pressure pulls the objects into the streamso they come together. Unfortunately, that's not quite the wayit  works.  Notice  you're  blowing  a  steam  across  a  curvedsurface.  If  you  suspect  the  Coandă  effect  is  involved,  yoususpect correctly.

The airflow across the surface of the round objects in bothcases give  you a Coandă  effect pulling them  together. Onceagain,  just  as with the paper  lift,  the Bernoulli effect  alone isnot  doing  the  trick  as  advertised.  Again,  this  does  notdemonstrate how a wing generates lift either.

Cone and Ball Levitation: Put a light ball in an upside downfunnel or cone and blow  through the small end, or otherwiseget some fast airflow through it. The ball will not be blown out,

Page 5: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 5/9

get some fast airflow through it. The ball will not be blown out,but will levitate in the cone as shown.

The explanation  sometimes given for this  phenomenon isthe  Bernoulli  principle  creates  a  low  pressure  zone  in  thecone so the ball doesn't fall out. But it's not so simple as that.In  this instance we've added  a force  to reckon with, the  stiffcone barrier around the flow.

One thing you need to know before we proceed. When youblow a  stream of air,  like out of  a hair  dryer, you don't  get adistinct  "tube"  of  air  punched  through  the  surrounding  air.Fluid behavior is rarely so simple. Instead, you get somethingmore along the lines of a fast river constantly eroding a sandyriverbed. It carries what it's rubbing against along with it.

Something  similar  happens  with  airflow,  the  ambient  airbesides  the  flow  gets  swept  along  where  they  intermingle,which is entrainment of fluid. This creates a sort­of cone of air,fast in the center, fanning out and gradually slower along side.Air not only flows in the hair dryer's inlet and out through theblower tube, but also is drawn in from surrounding areas andswept along.

Returning to the cone business, as the airstream exits thetube into the small end of the cone you get the same entrain ­ment of  air as explained above.  New air streams  toward thespace where the  air  is being blown out forming  a ring vortexshaped  like a  donut  around  the fast  airstream  in the  center.The ball  levitates in this vortex as if  it were flying rather thanbeing held up by the Bernoulli principle.

Page 6: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 6/9

One  important  aspect  of  this  effect  is  a  ball  is  the  onlyshape  that  works.  You  have  to  have  a  ball  so  the  airflowaround it is smooth so not to disrupt the vortex which is what'sdoing the trick.

One Last Demonstration With a Bit of EverythingBall  Levitation: Take  a  hair  dryer  blowing  straight  up  andintroduce a ping­pong ball into the airstream where it will float.Tilt the blow dryer up to about 45 degrees, the ball doesn't fallout but "levitates" in the airstream. (I've also seen it work witha vollyball and a strong leaf blower.)

The  commonly given  explanation  for  this phenomenon  isthe Bernoulli principle creates a low pressure zone in the fastflowing  airstream compared  to the  air  along side  so the  balldoesn't fall  out. However,  it's not that  simple. What  we havehere  is  what's  referred  to  as parachuting.  How  a  parachuteworks seems obvious and simple, but it's not.

Air fills  the inside of a  parachute in effect turning  it  into ahalf ball of air with a fabric skin on top. The falling parachute"scoops" out an area of low pressure over top. (You might liketo know  a parachute doesn't  fill out from  increased pressurebelow,  but  because  of  decreased  pressure  above.)  As  withanything moving  through  a  gas,  a  vortex  forms  and  the  airfrom  below  races  up  along  the  curved  fabric  towards  thelower pressure over top creating Coandă and Bernoulli effectlift.

Page 7: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 7/9

The  air "rolls"  along  the  fabric in  a  ring  vortex not  unlikethe one in the cone from above. These cannot last forever (forreasons  too  boring  to  get  into)  and  are  periodically  shed  inwhat's called periodic vortex shedding aptly enough.  To keepit  simple  let's  just  say  a  parachute  not  only  has  some  airresistance  underneath,  it  has  lift  over  the  top,  which  isparachuting.

Not being only a half ball but a whole one, a ping­pong ballin an upward blowing stream is similar, but different. (As YogiBerra's  son  once  said,  "Our  similarities  are  different".)Because  of a  ball's aerodynamic  shape, being  round on  thebottom in any position, there's less air resistance underneaththan  with  the  half  ball  parachute.  Compare  the  differencebetween a  ball and a wad  of paper. The ball  hovers about 3inches from the blower end, the paper wad is blown about twofeet up and out. The wad displays no tendency to stay in thestream at all, a good hint pressure differences alone aren't thefull story.

The paper wad gets more upward push from the airstreambecause  the irregular  shape  inhibits flow  and  traps more  airunderneath.  On a  ball  the  air slips  around  the  sides and  so

Page 8: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 8/9

there's  less  upward  push  and  equal  flow  and  pressure  allaround  keeping  it  centered  in  the  stream.  In  fact,  a  ball  isabout  the  only  shape  that  will  float  this  way  in  a  vertical

airstream.

When you tilt  the stream and get  the dramatic "levitation"effect,  the  ball  doesn't  stay  in  the  center  of  the  stream,  ithangs  down with  the upper  part  in  the faster  center (A)  andthe bottom in the slower section of entrained air (B). The ballfalls to a spot with different airspeeds and pressure above andbelow where it has enough parachuting lift to stay up.

After you tilt the stream past a certain angle you reach "thetipping point" and  the ball falls out of the  airstream. If you'veever  done  any  house  framing  you'll  understand  the  tippingpoint  concept. Once  you get  past 45  degrees upright  it getseasier and easier to tip up your wall as more of the weight istransferred  down  vertically  through  the wall  rather  than  onyou. One  way  to  think  of  it,  a  vertical  slab  is  a  wall  and  ahorizontal one  is a  roof. At 45  degrees it's  half wall  and halfroof, that's the tipping point.

Something  like  this  happens  to  the  levitating  ball.  Themore  you  tilt  the  more  the  flow  pushes  horizontally  thanvertically,  so you're  relying  on  the lift  above more and moreuntil  you  reach  the  tipping  point.  The  ball  falls  out  becausegravity overcomes the decreasing upward push. (I told you itwasn't all that simple.)

Only a  ball shape works for this  demonstration. A  wad ofpaper or puff of cotton of the same size an weight simply don'twork. That's because it's not  just pressure differences, a ballcreates parachuting lift and flies.

Summing UpWhat's  sometimes  omitted  in the misleading  explanations  isthe  confounding  forces besides  a  pressure  reduction as  perthe  Bernoulli principle.  There is  also an  increase in  dynamicpressure.  Plus, every  bit  of  aparatus like  a  funnel, a  curvedshape, or something redirecting the flow will have an impact.You need to look at the whole picture.

You  can  always  count  on  increased  air  speed  to  reducepressure  as  described  by  the  Bernoulli  principle.  However,once it encounters a new force, like a wall or you sitting therebeing  cooled  off, additional  principles  also  apply. How  a  fancools you is another can of worms we won't go into. But I willsay this,  it has nothing to do with the Bernoulli principle or the

 

Page 9: Bernouli, Coandă & Lift

2/25/2015 +: Bernouli, Coandă & Lift

http://www.terrycolon.com/1features/ber.html 9/9

say this,  it has nothing to do with the Bernoulli principle or theCoandă effect. At least, I'm pretty sure it doesn't. I'll look into itlater.

© Terry Colon, 2007

Special thanks to Terry Day whose invaluable assistance, andpatience,  helped  me  understand  it.  Mr.  Day  is  a  fluiddynamics engineer at New Fluid Technology

How Planes Can  Fly   Forget  Bernoulli  and  Coandă,  ThinkLanchester­Prandtl

A detailed, comprehensive explaination of lift:See How it Flies