Resistencia fluidodinámica
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| Formas y flujo | Resistencia de forma | Fricción viscoso |
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La resistencia fluidodinámica es la fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo en un fluido , en particular en un líquido o un aeriforme . En referencia al movimiento en líquidos también se denomina resistencia hidrodinámica , en el caso de aeriformes como resistencia aerodinámica .
Introducción
Un cuerpo que se mueve en un fluido intercambia fuerzas debido a su viscosidad con el propio fluido. La resistencia es el componente de la resultante de estas fuerzas en la dirección delvector velocidad del cuerpo y en la dirección opuesta. La cantidad de resistencia dinámica del fluido depende de la naturaleza del fluido y de la velocidad y la forma geométrica del cuerpo. Idealmente, la resistencia se puede dividir en varios componentes:
- resistencia parasitaria , a su vez dividida en:
- resistencia a la fricción viscosa
- formar resistencia
- resistencia inducida
- resistencia a las olas
Resistencia a la fricción viscosa
La resistencia viscosa se debe, como su nombre indica, a las fuerzas viscosas que intercambian el cuerpo y el fluido en movimiento relativo con él. De hecho, si el fluido es viscoso y si, por ejemplo, consideramos el cuerpo en movimiento y el fluido quieto, las partículas de fluido en contacto con el cuerpo deben estar en movimiento con el cuerpo (condición de adherencia). Entonces, el cuerpo ejercerá una acción aceleradora sobre las partículas de fluido más cercanas a él. Debido al principio de acción y reacción , el fluido ejercerá una acción de frenado sobre el cuerpo. En otras palabras, las capas de fluido inmediatamente adyacentes al cuerpo tenderán a ejercer acciones de fuerza tangencial debido a la diferencia de velocidad, intercambiando la fuerza F. Por lo tanto, el cuerpo estará sujeto a la fuerza de resistencia F , que será función de la superficie húmeda (es decir, expuesta al fluido) del propio cuerpo, de la velocidad del cuerpo y de la viscosidad del fluido (pero no de la forma del cuerpo).
Solo una zona de líquido, generalmente muy fina, cerca de las paredes del cuerpo se ve afectada por el cambio de velocidad. Esta zona se llama capa límite de momento (o también capa límite mecánica o simplemente capa límite) y es una división ideal (ya que el campo de velocidad es asintótico) del flujo.
La capa límite puede ser de tipo laminar , donde los hilos fluidos son láminas que siguen el contorno del cuerpo, o turbulenta donde los hilos fluidos siguen líneas intrincadas. La capa límite puede pasar de laminar a turbulenta a través de un área llamada región de transición , pero nunca puede volver espontáneamente a laminar. La transición de laminar a turbulenta se ve favorecida por el aumento de la velocidad y la rugosidad de la superficie del cuerpo y la forma menos cónica del cuerpo.
La figura ilustra las principales diferencias de la capa límite, en particular cómo el espesor de la capa límite turbulenta es significativamente mayor. La capa límite turbulenta tiene el inconveniente de generar una mayor resistencia que la laminar, pero la ventaja de tener una menor tendencia a desprenderse del cuerpo. Esto es una ventaja porque, por ejemplo, en un perfil aerodinámico, el desprendimiento de la capa límite genera el fenómeno de pérdida, es decir, una disminución considerable de la sustentación .
Resistencia de la forma
Sin embargo, la resistencia de la forma se debe a la viscosidad del fluido, pero a través del mecanismo de separación de las líneas de flujo .
Si el fluido no fuera viscoso, las líneas de corriente serían simétricas con respecto al cuerpo y generarían campos de velocidad y presión idénticos entre aguas arriba y aguas abajo del cuerpo (es decir, entre el área anterior y posterior, considerando la región afectada por la corriente como anterior).
Debido a la viscosidad el fluido pierde energía sin pasar por el cuerpo y esto genera la separación de las líneas de flujo, que a su vez formarán una zona denominada zona de recirculación en la región posterior. Debido a que la velocidad del flujo separado tendrá que ser mayor, ya que este tendrá una sección más pequeña disponible para pasar, su presión estática será menor que la zona correspondiente aguas arriba (esto lo confirman las ecuaciones de Navier-Stokes ). . Dado que la zona de recirculación está en equilibrio con el flujo trasero, la presión estática del fluido será menor que la presión de la zona correspondiente aguas arriba. Esta diferencia de presión entre aguas arriba y aguas abajo genera un arrastre de forma.
Es significativo que el patrón o trayectoria de las líneas de flujo esté determinado por la forma del cuerpo que las atraviesa. La perturbación del estado inercial de las líneas de flujo provoca diferencias de presión alrededor de la geometría del cuerpo sólido; estas diferencias de presión se traducen en una fuerza de resistencia (ver figura).
Dado que el fenómeno de separación se da para todos los cuerpos, aunque sea más o menos evidente, este tipo de resistencia es generalmente predominante en los cuerpos denominados "squat", donde las dimensiones perpendiculares al movimiento son consistentes con respecto a los demás. Las carrocerías cónicas como alas, hélices, fuselajes , cascos de embarcaciones y carrocerías de vehículos de transporte terrestre, en cambio, tienen una forma de menor resistencia, incluso sin ser considerados como carrocerías "aerodinámicas" tout court. No obstante, pueden tener una parte significativa de resistencia a la forma.
En el caso aeronáutico, otro tipo de resistencia que se puede definir como resistencia de forma, como resistencia debida a fuerzas de presión, es la resistencia de onda . Se genera en el caso del movimiento transónico (es decir, con velocidades en el campo de la dinámica de fluidos que pueden ser en algunos puntos superiores a la velocidad del sonido, y en otros inferiores), o supersónico, debido a las ondas de choque . Generan resistencia en cualquier caso, pero pueden actuar sobre la capa límite provocando su desprendimiento, y de esta forma aumentando drásticamente la resistencia aerodinámica del propio perfil (esto sucede para perfiles que no están diseñados para vuelo transónico o supersónico). Además, a velocidades superiores a la del sonido, las partículas de aire ya no son capaces de "esquivar" del avión que se aproxima, por esta razón el aire se acumula en algunas superficies como la nieve frente al quitanieves, generando una resistencia mucho mayor. .que, por ejemplo, hace que la temperatura de los bordes de ataque de las alas Concorde aumente en unos 170 grados en comparación con la temperatura exterior. [1]
Los cuerpos robustos, por tanto, que poseen una parte predominante de resistencia, son todos aquellos objetos que, por su forma, son incapaces de mantener la capa límite adherida a lo largo de toda su superficie. Ejemplos de cuerpos robustos son los coches (sin importar cómo se fabriquen), trenes, tuberías, esferas, etc. Incluso un ' coche de Fórmula Uno no es un perfil aerodinámico, tanto es así que produce al avanzar un camino.
Además, dado que un flujo laminar, en comparación con uno turbulento, es menos capaz de mantener la capa límite unida al cuerpo en movimiento en el fluido, en algunos casos es conveniente que los cuerpos en cuclillas tengan un flujo de capa límite que sea turbulento. . Por ejemplo, en el caso de las pelotas de tenis , la pelusa que tienen en la superficie reduce su resistencia en forma, manteniendo el flujo de la capa límite, turbulenta por esta pelusa, adherida a la pelota más que si fuera lisa. Por la misma razón, por ejemplo, las pelotas de golf tienen una serie de huellas en la superficie, que permiten que el flujo de la capa límite, turbulenta por estos "hoyuelos", permanezca adherida al cuerpo por más tiempo y se desprenda de forma muy hacia atrás. posición de la superficie de la bola, reduciendo así el tamaño del rastro trasero y, con ello, también reduciendo la resistencia de forma.
Este efecto se hace aún más evidente por el comportamiento de algunas bolas de cricket . De hecho, hay algunos modelos con mitad de superficie completamente lisa y mitad "rugosa", es decir, cubierta por pequeñas huellas (mucho más pequeñas que las de una pelota de golf), y las dos partes están separadas en el diámetro ecuatorial, si imagina la forma de la bola perfectamente esférica. Por lo tanto, si la pelota se lanza de tal manera que el diámetro de separación es paralelo a la dirección de lanzamiento, la capa límite se separa más tarde en la parte rugosa que en la lisa, dando a la pelota un efecto de trayectoria curva. Por otro lado, si la bola se lanza de tal manera que el diámetro de separación asume una posición aleatoria diferente a la mencionada anteriormente, el efecto resultante es nulo o en todo caso no trivial (la bola podría, por ejemplo, oscilar durante el movimiento).
Resistencia inducida
Al estudiar un perfil aerodinámico , para simplificar, no se tienen en cuenta los efectos tridimensionales de las puntas de las alas: es como si las alas tuvieran una envergadura infinita.
Las alas de apertura finita, por otro lado, están sujetas a otro tipo de resistencia dinámica de fluidos, llamada resistencia inducida. Las alas son objetos o cuerpos que "soportan carga", es decir, generan sustentación cuando están en movimiento dentro de un fluido. Para ello deben asegurarse de que el líquido que moja su vientre (la superficie inferior) esté a una presión más alta que el líquido que moja la espalda (la superficie superior). Sin embargo, dado que cada fluido se mueve naturalmente desde áreas con mayor presión hacia áreas con menor presión (para reducir las diferencias de presión entre fluidos en contacto, como lo requiere un principio de la física), en este caso tenderá a moverse desde el vientre hacia el parte posterior del ala de apoyo. Para ello, puede desviar no solo el borde de ataque (borde golpeado por la corriente) y el borde de fuga (borde de fuga), sino también la punta del ala generando un flujo de aire en la dirección longitudinal con respecto al eje. del ala en sí. Este flujo provoca el llamado arrastre inducido, ya que genera remolinos finales que aumentan la energía de perturbación del flujo . Este efecto es menor cuanto más se alarga el ala, porque la intensidad de los remolinos generados es igual a la variación de sustentación calculada a lo largo del eje del ala. Por tanto, si construyes un ala especialmente alargada (larga y estrecha) tendrá una distribución de sustentación que varía gradualmente desde la punta hasta la raíz, y generará vórtices de baja intensidad.
Las aletas de la punta (a menudo en inglés winglet ), utilizadas en algunos aviones de pasajeros, pueden aprovechar este efecto (es decir, el flujo longitudinal) para generar sustentación y, de esta manera, disminuir la resistencia total del ala.
La resistencia inducida aumenta al disminuir la velocidad. Si se suma al arrastre del perfil aerodinámico (que aumenta con el cuadrado de la velocidad), se obtiene el arrastre total, que partiendo de la velocidad de pérdida y aumentando la velocidad, primero disminuye hasta alcanzar un mínimo, y luego aumenta cada vez más. . Las velocidades entre la pérdida y la resistencia mínima se denominan segunda velocidad , las velocidades mayores que la de la resistencia mínima se denominan primera velocidad . El segundo régimen es una situación que no solo no es muy conveniente sino también muy peligrosa en el caso de los aviones. En este caso, de hecho, cuanto más se ralentiza el avión, más tiende a ralentizarse, con el riesgo de atascarse. Aún más peligroso es el caso en el que esto ocurre durante el despegue o el aterrizaje porque el piloto al ver el avión descender más de lo normal podría intentar frenar (levantar el morro) perdiendo aún más velocidad y estrellarse después de la pérdida.
Estos vórtices, especialmente si son generados por aviones pesados que despegan y aterrizan, pueden obstaculizar enormemente los siguientes aviones. Por este motivo, los despegues y aterrizajes en los aeropuertos siempre están separados por dos o tres minutos en función del peso de las dos aeronaves. Los helicópteros también generan vórtices muy fuertes, de hecho, no pueden volar de regreso a largas distancias o quedarse quietos con el viento de cola, porque su propio vórtice los haría caer.
Resistencia a las olas
El término resistencia a las ondas (aerodinámica) significa que parte de la resistencia aerodinámica se debe a la aparición de ondas de choque alrededor del campo de movimiento de un cuerpo en movimiento.
Nota
- ^ (EN) Howard Curtis, Antonio Filippone, Michael V. Cook, THG Megson, Mike Tooley, David Wyatt, Lloyd R. Jenkinson, Jim Marchman, Filippo De Florio, John Watkinson, Referencia de escritorio de ingeniería aeroespacial , Elsevier, ISBN 978-1 -85617-575-3 .
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enlaces externos
- ( EN ) Resistencia dinámica de fluidos , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
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