Resistencia Aerodinámica

La resistencia inducida es aquella que se genera, como decimos, al crearse sustentación. Cuando el viento relativo frota el ala, el flujo de aire en la parte superior del ala (extradós) se desvía hacia el cuerpo de la aeronave, mientras que en la parte inferior es desviado hacia afuera. Estos flujos de aire, al encontrarse en la punta del ala, se deflectan y crean vórtices que se desvían hacia abajo a razón de 500 fts/min. Estos vórtices generan una fuerza opuesta al empuje.

A bajas velocidades, la Resistencia Inducida aumenta, pero a altas velocidades disminuye. Lo contrario ocurre con la Resistencia Parásita: a velocidades bajas disminuye, pero a velocidades altas aumenta. Es un efecto parecido al tirar de un carro. Inicialmente, cuesta gran esfuerzo, pero puesto en movimiento, el esfuerzo de arrastre es menor. El piloto puede influir mucho en esta resistencia al poder modificar la velocidad del avión. La suma de las resistencias (inducida y parásita) dan como resultado la resistencia total.

Resistencia Parásita del Perfil

Se denomina así toda resistencia que no es función de la sustentación. Es la resistencia que se genera por todas las pequeñas partes no aerodinámicas de un objeto. Está compuesta por:

• Resistencia de perfil: La resistencia de un perfil alar se puede descomponer a su vez en otras dos:
  • Resistencia de presión: Debida a la forma de la estela.
  • Resistencia de fricción: Debida a la viscosidad del fluido.
• Resistencia adicional: Es la resistencia provocada por los componentes de un avión que no producen sustentación, por ejemplo, el fuselaje o las góndolas de los motores.
• Resistencia de interferencia: Cada elemento exterior de un avión en vuelo posee su capa límite, pero por su proximidad, estas pueden llegar a interferir entre sí, lo que conduce a la aparición de esta resistencia.

Centro de Presiones

En un perfil aerodinámico, el centro de presiones es el punto alrededor del cual el momento aerodinámico generado es nulo, de modo que se puede suponer que las fuerzas se aplican en dicho punto.

En general, el centro de presiones cambia de posición al cambiar el ángulo de ataque.

Hay un caso, sin embargo, en el que la posición del centro de presiones es independiente del ángulo de ataque, siempre y cuando este sea pequeño: es el caso de los perfiles simétricos.

En los perfiles simétricos, puede comprobarse que el centro de presiones no se desplaza de forma apreciable si el ángulo de ataque es pequeño.

El centro de presiones es útil para calcular momentos: solo conociendo su posición en función del ángulo de ataque y la sustentación desarrollada en función del ángulo de ataque, es sencillo calcular el momento generado.

Curvatura del Perfil

La curvatura del perfil es una línea equidistante entre el intradós y el extradós. La forma de esta línea es muy importante en las características aerodinámicas del perfil. En definitiva, establece la curvatura del perfil.

Si la línea de curvatura media pasa por encima de la cuerda, se dice que la curvatura es positiva. Negativa si la curvatura media pasa por debajo de la cuerda.

Momento de una Fuerza

Cuando una fuerza intenta provocar un desplazamiento o deformación en el cuerpo sobre el que se aplica, la estructura tratará de impedir el movimiento o la deformación, contraponiéndole una fuerza del mismo valor (módulo), misma dirección y de sentido contrario (Es lo que nos dice la tercera ley de Newton). Sin embargo, en muchas ocasiones, el punto de aplicación de la fuerza no coincide con el punto de aplicación en el cuerpo. En este caso, la fuerza actúa sobre el objeto y su estructura a cierta distancia, mediante un elemento que traslada esa acción de esta fuerza hasta el objeto.

Vórtices y Turbulencia

Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral. El tipo de régimen de un fluido viene determinado por cuatro factores que forman la constante adimensional denominada Número de Reynolds (R). Si consideramos un fluido moviéndose a lo largo de un tubo, su valor es:

R = Fuerzas de inercia / Fuerzas de rozamiento

Un fluido se puede mover de forma, o en régimen, laminar o turbulento. Una propiedad característica de un fluido es la viscosidad, que está relacionada con la resistencia al movimiento. A causa de la viscosidad es necesario ejercer una fuerza para que una capa líquida deslice sobre otra.

Cuando la velocidad es alta y sobrepasa un cierto valor crítico, el movimiento de las capas es muy irregular y se formarán corrientes locales circulares denominadas vórtices o torbellinos, que aumentan la resistencia al desplazamiento del fluido.

Dinámica de Fluidos

La dinámica de fluidos estudia los fluidos en movimiento y es una de las ramas más complejas de la mecánica. Aunque cada gota de fluido cumple con las leyes del movimiento de Newton, las ecuaciones que describen el movimiento del fluido pueden ser extremadamente complejas.

• La hipótesis de incompresibilidad es una suposición razonable para líquidos, pero no para los gases. Un gas puede tratarse como incompresible si su movimiento es tal que las diferencias de presión que aparecen no son demasiado grandes.
• El rozamiento interno en un fluido da lugar a esfuerzos cortantes cuando dos capas adyacentes se mueven la una sobre la otra o cuando el fluido se mueve por tubos o se encuentra un obstáculo. En algunos casos, estos esfuerzos son despreciables si se comparan con fuerzas gravitatorias o con las originadas por diferencias de presión.

La trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento se llama línea de flujo. La velocidad del elemento varía en magnitud y dirección a lo largo de su línea de flujo. Si cada elemento que pasa por un punto dado sigue la misma línea de flujo que los elementos precedentes, se dice que el flujo es estable o estacionario. Un flujo puede empezar no estacionario y hacerse estacionario con el tiempo. En un flujo estacionario, la velocidad en cada punto del espacio permanece constante en el tiempo, aunque la velocidad de la partícula puede cambiar al moverse de un punto a otro.

Número de Reynolds

El régimen de flujo depende de tres parámetros físicos que describen las condiciones del flujo.

El primer parámetro es una escala de longitud del campo de flujo, como el espesor de una capa límite o el diámetro de una tubería. Si dicha escala de longitud es lo bastante grande, una perturbación del flujo podría aumentar y el flujo podría volverse turbulento.

El segundo parámetro es una escala de velocidad, tal como un promedio espacial de la velocidad; si la velocidad es lo bastante grande, el flujo podría ser turbulento.

El tercer parámetro es la viscosidad cinemática; si la viscosidad es lo bastante pequeña, el flujo puede ser turbulento.

Estos tres parámetros se combinan en un solo parámetro conocido como el Número de Reynolds (R), con el cual se puede predecir el régimen de flujo. Si R > 4000, el flujo será turbulento.

Tipos de Turbulencia

• Turbulencia de pared: Generada por efectos viscosos debida a la existencia de paredes.
• Turbulencia libre: Producida en la ausencia de pared y generada por el movimiento de capas de fluido a diferentes velocidades.

Diferentes teorías han tratado de explicar el origen y la estructura de la turbulencia. Algunas explican que la turbulencia es debida a la formación de vórtices (remolinos o torbellinos de viento) en la capa límite.

El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales.

Flujo Turbulento

En el flujo turbulento, las partículas se mueven sin seguir un orden establecido, en trayectorias completamente erráticas.

En mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en el que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos no coordinados, como por ejemplo, el agua en un canal de gran pendiente.

La turbulencia, según la definición de Taylor y von Kármán, puede producirse por el paso del fluido sobre superficies de frontera, o por el flujo de capas de fluido a diferentes velocidades que se mueven una encima de la otra.

Capa Límite

La capa límite o capa fronteriza de un fluido es la zona donde el movimiento de este es perturbado por la presencia de un sólido con el que está en contacto.

La capa límite se entiende como aquella en la que la velocidad del fluido respecto al sólido en movimiento varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente no perturbada.

Tipos de Capa Límite

El espesor de la capa límite en la zona del borde de ataque o de llegada es pequeño, pero aumenta a lo largo de la superficie. Todas estas características varían en función de la forma del objeto (menor espesor de capa límite cuanta menor resistencia aerodinámica presente la superficie; ej. forma fusiforme de un perfil alar).

En aeronáutica aplicada a la aviación comercial, se suele optar por perfiles alares que generan una capa límite turbulenta, ya que esta permanece adherida al perfil a mayores ángulos de ataque que la capa límite laminar, evitando así que el perfil entre en pérdida, es decir, deje de generar sustentación aerodinámica de manera brusca por el desprendimiento de la capa límite.

Medición de la Capa Límite

La capa límite se forma a lo largo de una superficie de un cuerpo en un flujo incidente debido a la adhesión del fluido fluyente, p.ej. aire. La fricción interna en el fluido provoca un cambio del curso del flujo e influye en la resistencia al flujo y la velocidad del flujo.

Pérdidas de Carga

Cuando fluye a través de una capa compactada ocurre una pérdida de presión debido a la fricción. La pérdida de presión del fluido que pasa a través de él es, entre otros, utilizada para la caracterización de lechos fluidizados y lechos compactos.