¿Por qué los bordes de salida de las alas son afilados? (lecciones para camioneros y submarinistas)

El ala de los aviones es, por lo general, muy afilada por detrás y relativamente roma en el borde de ataque. No importanta tanto (relativamente) que el borde de ataque sea más grueso (dentro de unos límites), pero lo que si es esencial es que la parte de detrás (borde de salida), sea afilada.

Esto es debido a algo muy importante que vamos a ver ahora. Las moléculas de aire que se apartan delante del ala tienen que dividirse sin más remedio según el ala avanza. Estas moléculas deben forzosamente pasar por encima y por debajo del ala. Este aire recorre la superficie del ala y debe reunirse de nuevo en la parte de atrás. De no hacerlo, las turbulencias generadas crearían una gran resistencia al avance y probablemente un desprendimiento del flujo sobre el ala que haría que esta perdiera sustentación y entrara en pérdida. Ese es el motivo fundamental por el que la parte trasera de un cuerpo aero/hidrodinámico tiene que ser afilado.

En el mundo en que vivimos, el aire se comporta a la salida de un borde agudo como se puede ver en el flujo 1. La física del flujo 2 no se da en este tipo de borde de salida.

En cambio, si el borde de salida fuera redondeado, el aire con mayor presión que fluye a lo largo de la parte inferior trataría de seguir la superficie redondeada y se dirigiría hacia arriba hacia el aire de menor presión sobre el ala. Un borde de salida afilado evita esta dirección hacia arriba, porque el aire, físicamente, no puede hacer un giro cerrado. En su lugar, el aire que sale de las superficies superior e inferior se juntan suavemente.

En los submarinos pasa lo mismo. Debajo se puede ver una foto del nuevo submarino español Isaac Peral (S-81), donde se observa claramente lo abultado de su proa. Su popa es mucho más afilada. El que la proa sea tan grande realmente no es un problema para que este "bicho" alcance más de 20 nudos sumergido. Si la popa fuese del mismo tamaño no sería capaz de alcanzar esas velocidades.

Con los camiones pasa algo parecido. Estamos acostumbrados a ver cabinas muy aerodinámicas y deflectores de aire en la parte superior de estas, pero en realidad esa parte no es la más importante (aunque todo influye). Lo que realmente marca la diferencia en los camiones es precisamente la parte que menos se ha estado cuidando hasta ahora, la parte trasera.

Los dispositivos aerodinámicos traseros ayudan a reducir el consumo al disminuir la resistencia del vehículo, lo que significa que se requiere menos combustible para impulsar el vehículo. 

¿Cómo reducen la resistencia los dispositivos traseros aerodinámicos? 

Los dispositivos aerodinámicos traseros reducen cierto tipo de resistencia, llamada resistencia de presión. Hay mucha ciencia detrás de cómo funciona la resistencia de presión, por lo que aquí hablaremos en términos realmente simples. Al igual que un ala, a medida que el camión avanza, empuja las moléculas de aire fuera de su camino. 

Estas moléculas inevitablemente van por encima, por debajo y por los lados del vehículo. Esto crea una especie de vacío detrás del camión, en el que, una vez que el camión avanza, todas las moléculas de aire intentan juntarse rápidamente.

Dibujo de https://go2stream.com

Instalando lo que se conoce como boat tail (cola del barco) se obtiene una parte trasera del remolque más afilada. El aire sigue los paneles de la cola del barco alrededor de la parte trasera, en lugar de separarse en el borde final del remolque. La resistencia en la parte trasera del remolque se reduce evitando el efecto de succión. 

La fuerza que se crea en este proceso es la llamada "resistencia de presión". Esta es esencialmente una fuerza que se siente como si estuviera tirando hacia atrás del vehículo, por lo tanto, "resistencia al avance". Mediante el uso de dispositivos aerodinámicos traseros, lo que sucede es que las moléculas de aire se juntan nuevamente a un ritmo más suave (menos turbulento). Esto da como resultado que la resistencia de presión detrás del camión sea más pequeña y, por lo tanto, permite que el camión avance con un esfuerzo ligeramente menor. 

El efecto se ve claramente con un estudio comptacional de dinámica de fluidos (CFD). En la ilustración inferior se observa el campo de flujo detrás de un semirremolque de 16 metros, con y sin cola de barco. Los autores concluyeron que incluso una cola de barco de solo 60 centímetros de largo disminuiría significativamente el campo de flujo.

Fuente: https://tc.canada.ca

Definición de resistencia de presión

La resistencia de presión es causada por las partículas de aire que están más comprimidas (empujadas a estar juntas) en las superficies frontales y más espaciadas en las superficies posteriores. Esto se produce cuando las capas de aire se separan de la superficie y comienzan a girar, lo que se denomina flujo turbulento. Observe querido lector cómo la forma del ala reduce esto.

Moraleja: No seas tan borde y presta más atención a la retaguardia

Nota final para los quisquillosos:

Si, vale, es verdad que en los modernos aviones comerciales, como el A220 (CSeries) el borde de salida está truncado (blunt trailing edge) en vez de ser perfectamente afilado. Esto se debe a que recientes estudios en refinamiento aerodinámico han mostrado que existe una reducción considerable de ruido aerodinámico al hacerlo de esa manera. Hablaremos de eso en otro artículo. Es un tema muy complicado que los más sesudos pueden leer aquí:

https://etda.libraries.psu.edu/files/final_submissions/10386

y también aquí:

https://www.semanticscholar.org/paper/2-D-CFD-Analysis-of-the-Effect-of-Trailing-Edge-on-Almohammadi-Ingham/e80436b7eef02307740de35323bc61d45874688b

 ...pero que no invalida el concepto general que trata este artículo (nariz roma culo afilado).