Ya vimos en un artículo pasado del IAD, los principios de aerodinámica que rodean a un auto de competición. En esta oportunidad vamos a desarrollar un post con propiedades avanzadas para los amantes de la aerodinámica.

Antes de pasar a lo que venimos a este post, repasemos el principio de aerodinámica.

¿Cuál es la definición de aerodinámica? 

Aerodinámica: Aerodinámico/ca. (De aero: aire y dynamis: fuerza -> fuerzas producidas por el aire). 

1. adj. Perteneciente o relativo a la aerodinámica.   
2. adj. Dicho de un cuerpo móvil: Que tiene forma adecuada para disminuir la resistencia del aire. 
3. f. Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los gases y los movimientos relativos de gases y sólidos. 

Aire: Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta, es particularmente delicado y está compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua (variable entre 0- 7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como el criptón o el argón, es decir, 1% de otras sustancias.  

¿Qué rama de la ciencia estudia la aerodinámica?

En realidad, la aerodinámica es, en cierta manera, una especialización de un ciencia de más amplio espectro, que es la “Mecánica de los Fluidos”, que estudia el movimiento de este estado de la materia, las causas que lo provocan y las condiciones que lo afectan. Como toda rama de la mecánica se la divide en dos grandes campos que son: 

• Cinemática: Estudia la geometría del movimiento y por lo tanto se entiende con magnitudes tales como longitudes y tiempo y como combinación de estas, velocidades aceleraciones y caudal en volumen. 
• Dinámica: Estudia las fuerzas que actúan sobre los fluidos, según el estado del movimiento, y el balance de las distintas formas de energía puestas en juego.

Características físicas del estado Fluido desde el punto de vista molecular

Veamos a continuación una tabla comparativa donde veremos las diferencias de movimiento molecular, cohesión, espacio molecular entre un sólido y un fluido en estado líquido y gaseoso.

Como bien sabemos, la cohesión es la fuerza de atracción que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. La atracción molecular entre moléculas semejantes de un líquido recibe el nombre de fuerza cohesiva. Ésta fuerza da origen a la cohesión, o sea, a la tendencia de un líquido a permanecer como un conjunto de partículas. Si observamos la tabla vemos que los fluidos tienen una cohesión pequeña.

Características físicas de los fluidos desde el punto de vista mecánico

Analicemos a continuación un sólido y un fluido con respecto a sus características de compresión, tracción y corte.

Deformación continua y permanente: Detengámonos en la característica de corte del fluido ¿Porque es tan importante esta característica de los fluidos? Simplemente porque esta incapacidad de resistir esfuerzos tangenciales es lo que da a los fluidos su habilidad característica de fluir, o sea, cambiar su forma. Del hecho de que los fluidos no puedan soportar esfuerzos tangenciales exteriores (por pequeños que sean), no cabe deducir que no existan tensiones tangenciales en los mismos, muy por el contrario…

Propiedades avanzadas de los fluidos

Veamos a continuación las 3 propiedades básicas de los fluidos, que son: La densidad, la compresibilidad y la viscosidad.

Densidad: Distribución de la materia (Masa) en un dominio determinado del espacio (Volumen):

Compresibilidad: Posibilidad de reducir el volumen de un líquido o gas por

acción de presiones exteriores, de manera tal que se altera su densidad. 

• Líquidos: Se los considera prácticamente incompresibles
• Gases: 
  • Incomprensibles para Mach < 0,3
  • Compresibles para Mach > 0,3

* Mach: Relación entre la velocidad del fluido y la del sonido en ese mismo fluido.

Viscosidad:

• Es la resistencia de un fluido a la deformación.
• Es consecuencia de las fuerzas de cohesión de las moléculas del fluido
• Las moléculas de un fluido no sólo tienen atracción entre sí, sino que

también la tienen para con las moléculas de los sólidos en contacto con él.

• Al producirse un movimiento de deformación en un fluido, toma la forma de

deslizamiento de capas, cada una de las cuales ejerce una fuerza de

arrastre sobre su adyacente.

• La viscosidad es responsable, entre otras cosas, de las propiedades

lubricantes de los fluidos y de la existencia de la capa límite.

Viscosidad cinemática:

En todas las corrientes fluidas en las que las fuerzas de rozamiento (viscosas) se encuentran presentes junto con las de inercia, juega un papel importante la relación de la viscosidad 𝞵 a la densidad 𝞺, que se denomina viscosidad cinemática.

En el sistema cgs las unidades de medida de la viscosidad cinemática

son el stokes to centistokes.

Numero de Reynolds

El número de Reynolds es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos para caracterizar el movimiento de un fluido. Como todo número adimensional es un cociente, una comparación. En este caso es la relación entre los términos

inerciales y los términos viscosos de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos. Por ejemplo un flujo con un número de Reynolds alrededor de 100.000 (típico en el movimiento de una aeronave

pequeña, salvo en zonas próximas a la capa límite) expresa que las fuerzas viscosas son 100.000 veces menores que las fuerzas inerciales, y por lo tanto aquellas pueden ser ignoradas. Un ejemplo del caso contrario sería un

cojinete axial lubricado con un fluido y sometido a una cierta carga. En este caso el número de Reynolds es mucho menor que 1 indicando que ahora las fuerzas dominantes son las viscosas y por lo tanto las inerciales pueden despreciarse. Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. Así ,por ejemplo, en conductos si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 4000 el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación. Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842-1912), quien lo describió en 1883. Viene dado

por siguiente fórmula:

Donde:

𝞺: Densidad el fluido.

V: Velocidad característica del fluido.

D: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema.

𝞵: Viscosidad dinámica del fluido.

𝞾: Viscosidad cinemática del fluido

Ejemplo de diferencias entre números de Reynolds

La capa límite.

La capa límite de un fluido es la zona donde el movimiento de éste, 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.

La capa límite puede ser laminar o turbulenta; aunque también pueden coexistir en ella zonas de flujo laminar y de flujo turbulento. En ocasiones es de utilidad que la capa límite sea turbulenta. En aeronáutica aplicada a la aviación comercial, se suele optar por perfiles alares que generan una capa límite turbulenta, ya que ésta al poseer más energía cinética 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 lÌmite.

El espesor de la capa límite en la zona del borde de ataque es pequeño, pero aumenta a medida que avanza 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).

Formación de la capa límite.

Podemos ver en la imagen como el fluido rodea el elemento sólido, adaptándose a su forma y formando una capa uniforme llamada capa límite. Esta, dependiendo de la forma del perfil alar, va a comenzar a desprenderse del elemento, a raíz de su velocidad y comenzará a desprenderse del mismo formando una capa turbulenta como vemos a continuación.

Transacción turbulenta y desprendimiento.

Una vez que el fluido llega al final del perfil alar, comenzará a desprenderse formando un desprendimiento y posterior turbulencia. Este punto también es llamado “Punto de transición”

En la imagen del Audi R8 LMS, podemos ver el ensayo en un túnel del viento para realizar un análisis aerodinámico de un elemento, en este caso, un auto de competición. Podemos observar como la capa límite del fluido comienza a desprenderse y generar turbulencia desde la mitad del techo hacia la parte trasera, pareciera que el fluido seguiría su camino turbulento hacia la parte trasera del auto, pero vemos como es tomado por el alerón para generar una dirección vertical del fluido hacia arriba, generando una baja presión por debajo y una alta presión por arriba del alerón, que generará un aumento del Downforce en esa zona.

Todos estos ejercicios prácticos y fórmulas que vimos, sirven para ir comprendiendo un poco más este hermoso fluido con el cual nos tenemos que amigar cada vez más y saber cómo tratar con él, para ir mejorando cada vez más la performance de nuestros autos.

Autor: Nelson Vigliani

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