miércoles, 21 de septiembre de 2016

Aerodinámica básica para pilotos II: Resistencia (Drag)

La resistencia es la fuerza aerodinámica que se opone al movimiento de un avión en el aire. La resistencia es generada por cada parte del avión (incluso los motores).





¿Cómo se genera la fricción?


La resistencia es una fuerza mecánica. Se genera por la interacción y el contacto de un cuerpo sólido con un fluido (líquido o gas). No es generado por un campo de fuerza, en el sentido de un campo gravitatorio o un campo electromagnético, en donde un objeto puede afectar a otro objeto sin estar en contacto físico. Para que se genere resistencia, el cuerpo sólido debe estar en contacto con el fluido. Si no hay fluido, no hay resistencia. La resistencia se genera por la diferencia de velocidad entre el objeto sólido y el fluido. Debe haber movimiento entre el objeto y el fluido. Si no hay movimiento, no hay resistencia. No hay diferencia alguna si es el objeto el que se mueve a través de un fluido estático o si es el fluido el que se mueve por un objeto sólido que se encuentra estático.

La resistencia es una fuerza y ​​por lo tanto es una cantidad vectorial que tiene magnitud, dirección y sentido. La resistencia actúa en un sentido puesto al movimiento de la aeronave. La sustentación actúa perpendicularmente al movimiento. Hay muchos factores que afectan a la magnitud de la resistencia. Muchos de esos factores que también afectan a la sustentación, pero hay algunos factores que son únicos para la resistencia en las aeronaves.


La resistencia al avance es en realidad fricción aerodinámica, y una de las fuentes principales es la fricción de la estructura o fuselaje del avión con las moléculas del aire. Debido a que la fricción de la estructura es una interacción entre un sólido y un gas, la magnitud de la fricción del fuselaje depende de las propiedades de los sólidos y los gases. Para el sólido, una superficie lisa, encerada produce menos fricción que una superficie rugosa. Para el gas, la magnitud depende de la viscosidad del aire y la magnitud relativa de las fuerzas viscosas en el movimiento del flujo, expresada como el número de Reynolds. A lo largo de la superficie sólida, se genera una capa límite de flujo de energía baja y la magnitud de la fricción del fuselaje depende de las condiciones en la capa límite.

Si nos referimos al aire como un fluido, se podría decir también que la resistencia aerodinámica depende de la forma del objeto. A medida que el aire fluye alrededor de un cuerpo, la velocidad y la presión local cambian. Dado que la presión es una medida de la velocidad de las moléculas del gas y que un cambio en el momento produce una fuerza, podemos decir que una distribución de presión variable producirá una fuerza sobre el cuerpo. Podemos determinar la magnitud de la fuerza mediante la integración (o sumando) los tiempos de presión local de la superficie alrededor de todo el cuerpo. El componente de la fuerza aerodinámica que se opone al avance es la resistencia; el componente perpendicular al movimiento es la sustentación. Tanto esta como la resistencia actúan en centro de presión del objeto.

Hay un componente de fricción adicional causado o inducido por la propia generación de la sustentación. Los aerodinamicistas han llamado a este componente resistencia inducida. La resistencia inducida es debida a que la distribución de la sustentación no es uniforme a lo largo del ala, ya que varía desde la raíz hasta la punta. En un ala cuando se genera sustentación hay una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior. Cuando la presión mayor busca áreas de menor presión se forman vórtices en los extremos de las alas. Estos producen un flujo turbulento que es muy fuerte en las proximidades de  las puntas de las alas y disminuye hacia la raíz del ala. El ángulo de ataque local del ala se incrementa por el flujo inducido del torbellino de punta, dando lugar a una, orientación del flujo hacia abajo, creando esta componente adicional de la fuerza aerodinámica que actúa sobre el ala. Esta fuerza se llama resistencia inducida, ya que ha sido "inducida" por la acción de los vórtices de la punta de plano. La magnitud de la resistencia inducida depende de la cantidad de sustentación generada por el ala y de la distribución de la sustentación a través de ella. Las alas delgadas con cuerdas largas producen una resistencia inducida baja; las alas cortas con una gran cuerda producen una alta resistencia inducida. Las alas con una distribución de la sustentación elíptica tienen la mínima resistencia inducida. Los aviones modernos utilizan aletas de punta de plano para reducir la resistencia inducida del ala.

Existen dos fuentes adicionales de resistencia: la resistencia de onda y la resistencia de impacto. Cuando una aeronave se aproxima a la velocidad del sonido, se generan ondas de choque a lo largo de su superficie. Las ondas de choque producen un cambio en la presión estática y una pérdida de presión total. La resistencia de onda se asocia con la formación de las ondas de choque. La magnitud de la fricción de la onda depende del número de Mach del flujo. La resistencia parásita, Ram o de impacto se produce cuando el flujo de aire libre entra en contacto o dentro de la aeronave. Los motores a reacción, por ejemplo, meten aire dentro de ellos para producir empuje. El aire que entra en los motores se mezcla con el combustible, se quema la mezcla y se produce el empuje. Si nos fijamos en la ecuación básica del empuje de un motor, hay un término que está formado por la multiplicación de la velocidad del aire que entra y la masa ingerida por el motor. Este producto debe  de ser substraído del empuje final. Este término "empuje negativo" es la resistencia al avance producida por el impacto o Ram.  La resistencia parásita es pues 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: 
  1. Resistencia de presión: Debida a la forma de la estela. 
  2. 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 éstas pueden llegar a interferir entre sí, lo que conduce a la aparición de esta resistencia. 

La resistencia se incrementa según se puede ver en la ilustración de arriba. existe una velocidad óptima en la que la resistencia es mínima. Este punto es el que se suele buscar cuando se trata de economía o si se desea obtener mucho tiempo en el aire (endurance). Al aumentar la velocidad disminuye la resistencia inducida, pero aumenta considerablemente la parásita.

Siendo la presión dinámica "q", se puede ver que el coeficiente de resistencia es muy parecido al coeficiente de sustrentación:



Al igual que Cl, Cd es un coeficiente adimensional.


 El coeficiente de resistencia se puede poner también en función del empuje necesario, de esta forma: 



Si tomamos V y despejamos, obtendremos la velocidad del avión con respecto al Cd. Se puede entender entonces perfectamente que la velocidad máxima de nuestro avión se obtendrá precisamente cuando Cd sea mínimo. 


Luego la resistencia es la que define la velocidad máxima que un avión puede alcanzar.

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