¿FLIPAMOS CON EL AIRE? Opciones

[Relente de Luna]

Me parece muy interesante el tema y me encanta la forma en la que está contado. Espero este topic tenga continuaciones.

S2

[Raquel]

Desde el principio de este tema: "¿Flipamos con el aire?", hemos estado tratando en general una serie de cuestiones teóricas que tienen que ver con el difícil dominio de un elemento que nos parace tan sutil como el aire. Quedan algunas definiciones conceptuales (como os decía al postear la última parte) de las que no nos podemos desentender por mucho que parezca que aún nos complican más las cosas haciéndolas más difíciles, si cabe. Y es que estos factores tienen una influencia crucial en todo esto. Es lo que vamos a intentar analizar en adelante... Cómo la viscosidad del aire en la Tierra "enreda" y dificulta la trayectoria del coche al atravesarlo, qué tipos de flujos caben distinguir, para qué se utilizan los números de Reynols, tridemensionalidad del flujo...

Empecemos por cómo complica la viscosidad del aire el avance de un móvil a su través:

Flujo laminar y flujo turbulento :

Un flujo de aire puede adquirir estas 2 características o propiedades que vamos a definir. Si dentro de un flujo o "vena" de aire todas las partículas se están moviendo en la misma dirección que la velocidad del aire y que las líneas del flujo, consideraremos que es un flujo LAMINAR. La representación que cabría hacernos (ya que no os puedo mostrar la figura) sería la de varias líneas paralelas en una misma dirección marcada por un vector central.
Cuando las partículas se mueven o desplazan viajando de forma errática, sin seguir caminos paralelos a la velocidad media que lleva el aire, se producen "turbulencias". De ahí que a este tipo de flujo se le designe así: TURBULENTO. Si lo representáramos de nuevo, podrían marcarse líneas más cortas y distintas, que acaben en forma de semicírculo orientado hacia diferentes direcciones o sentidos respecto al indicado en el centro -entre ellas- por un vector o flecha.

Un ejemplo fácil y cotidiano nos permite visualizar bien esta diferencia. Si encendemos un fuego (los que fumamos lo tenemos muy fácil a la hora de comprobar ), cuando el humo sube desde el combustible recién encendido, se observa cómo va ascendiendo siguiendo líneas más o menos rectas. Equivaldría, pues, a la visualización de un tipo de flujo laminar. A medida que continúa ascendiendo, el humo se va haciendo turbulento y deja de mostrar esa trayectoria de paralelas, mezclándose y retorciéndose.

Establezcamos ahora otra distinción en base a cómo fluye el aire alrededor de un cuerpo (coche).
Flujo adherido y flujo separado :
Cuando el aire circula sobre un coche siguiendo la forma de su carrocería, hablamos de "flujo ADHERIDO"; vendría representado, como en el caso anterior, por una serie de líneas paralelas que se "adaptan" a la forma que presente el vehículo. Cuando el aire se despega de la forma externa del móvil que lo atraviesa, lo llamamos "flujo SEPARADO". Imaginemos el perfil normal de un coche o automóvil de "calle". Circundando su figura trazaríamos una serie de líneas que, partiendo en paralelo desde ese foco o "vena" de aire, se van adaptando a la representación de esa forma sobre la que fluyen. En el gráfico marcaríamos con líneas de turbulencia el ángulo que describe el comienzo de la luneta o cristal delantero, el fondo o los bajos del coche y la zaga o parte trasera, incidiendo, de nuevo, en el ángulo que forma el final del vehículo en el maletero (en caso de estar situado aquí, como ocurre generalmente en los coches de hoy en día). Estas zonas de turbulencia señalarían la corriente de flujo que se desplaza de la trayectoria formal del móvil. No sé si me entendéis muy bien... es difícil describir así la representación gráfica, lo siento.

¿Cómo se comporta el aire moviéndose a lo largo de un cuerpo que lo atraviesa al avanzar? ¿Qué ocurre con estas propiedades de los flujos que acabamos de distinguir?

Lo 1º que debemos tener en cuenta para poderlo entender es que el aire es un "fluido viscoso" en la Tierra y esta propiedad complica el modo en que se desplaza sobre un cuerpo. No sería lo mismo si el aire tuviera las propiedades de un gas "ideal".Esto significa que se produce una adherencia de las moléculas de aire que frena se movimiento, una resistencia al fluir análoga a la fricción mecánica. Al moverse un cuerpo a través de él, el aire crea un rozamiento interno en sus proximidades, pero cabe diferenciar niveles o capas en las que el rozamiento se da con mayor o menor intensidad. Lógicamente, las zonas más próximas a este contacto del aire con el cuerpo (capas contiguas o adyacentes a su superficie) se ven más frenadas por este efecto del rozamiento viscoso, que las capas más alejadas o menos próximas al la superficie del objeto, en las que la resistencia opuesta al movimiento por el roce del cuerpo adquiere un grado menor. Así pues, según aumenta la distancia del aire respecto a la superficie del cuerpo, el efecto del rozamiento es menor, hasta llegado un punto en que el aire ya no se ve afectado por el mismo; hablaríamos en este caso de lo que se conoce como velocidad del aire del "flujo principal". En términos simples, sería la capa que corresponde al borde exterior del flujo alrededor del objeto, por eso se le denomina también "capa límite".

LLevemos este planteamiento a lo explicado anteriormente.
Cuando las diferencias de velocidad del aire de las subcapas entre la capa límite son pequeñas, se produce un deslizamiento de unas sobre otras con excasa interacción entre ellas, dando lugar a una capa límite laminar. Pero... ¿qué hace "nuestro móvil" al atravesar un flujo? Pues molestarlo y "entorpecerlo" . Podría ser el caso de una curvatura en la superficie de este cuerpo: en la capa límite se propuce una turbulencia, pasando entonces de ser "laminar" a "turbulenta". Otro efecto generado por esta incidencia de perturbación es que la capa límite, además, aumenta su grosor a lo largo de la superficie del cuerpo. Si cogiéramos el ejemplo del coche que antes os intentaba describir gráficamente, diríamos que en su parte delantera la capa de aire presentaría las características de ser laminar y delgada, mientras que en la parte trasera del turismo se volvería turbulenta y más gruesa, como consecuencia de las distorsiones que causa el vehículo al atravesar el flujo de aire.
El mismo ejemplo o representación valdría para el caso de una forma de "ala", dado que, de hecho, los turismos modernos presentan esta estructura simple formal de ala. En el borde de ataque del ala comprobaríamos esa capa delgada y laminar de la vena o flujo de aire y, en el borde de fuga o salida, la zona de turbulencia aumentando su grosor, puesto que el aire se ha separado de la superficie.

Todo esto nos lleva a pensar que una capa laminar crea propiamente una superficie de rozamiento menor que una capa turbulenta, generando, a su vez, menos resistencia. Sin embargo, cuando hablamos del aire nada es tan fácil ... porque también podría ser que la capa límite turbulenta, en algunas circunstancias, retrasase esa embestida de separación del flujo o, incluso, llegara a causar la unión de un flujo separado. Estos efectos pueden comportar un beneficio debido a la creación de carga aerodinámica y reducción de resistencia. De ahí que la conclusión no sea tan básica como establecer que una condición laminar del aire es la meta u objetivo más importante a pretender. En ciertas circunstancias resulta beneficiosa, pero también, por ejemplo, los "generadores de vórtices" -movimiento rotatorio de una parcela de aire- en la superficie de un ala pueden servir para dar más energía a una capa límite y evitar la separación. Se supone que todas estas complejidades se analizan en el estudio de los variopintos elementos que constituyen la configuración de un monoplaza.

¿Nos atrevemos ahora con los números de Reynols?
Pues os aviso... "andemos bien calzados" porque el patinazo de neuronas para comprenderlo es de órdago; al menos es lo que a mí me ha pasado y, sin ayuda o colaboración explicativa del concepto, me veía incapaz de entender mínimamente las cuestiones que en este libro se plantean "demasiado a groso modo".

De entrada, el aurtor ya nos advierte "que es una de las ideas más raras de entender dentro de la aerodinámica". Una ya se asusta, claro. ¿Y por qué es así? Qué tal si os digo que se trata de un concepto "adimensional". "¿Y qué es esto?" -podríais preguntarme quizás algunos-. Pues desde un punto de vista filosófico (que, al fin y al cabo es lo mío ) yo os diría que se trata de algo metafísico y abstracto. Valeee... y, entonces, ¿para qué aquí? ¿Acaso es un bólido F1 "un ente esencial" más allá de lo físico material? Nooooo... ¡claro! Anda que no tenemos experiencia viva y concreta de lo que es . Pero lo que no es tan concreto y físicamente "real"/material son los parámetros comparativos que podemos llegar a establecer gracias al manejo del cálculo en virtud del Número de Reynols. No nos liemos más (es decir, no me enrollo más) y vayamos al asunto.

Vamos a partir de unos ejemplos no directamente relacionados con el concepto en sí, pero que permiten comprender de forma fácil qué podría ser eso de un "análisis adimensional" .
Hablemos, por ejemplo, de una velocidad de "300" e, inmediatamente, debemos preguntarnos: "¿esto es mucho o poco?" Hombre, pues depende; en primer lugar, de las unidades que estemos manejando y, en segundo lugar, de lo que estemos hablando. Para un coche, 300 km/h es mucho. Para un avión 300 millas por hora estaría bien. Y, en cualquier caso, 300 km/seg ya diríamos que es una burrada de velocidad (¿o no?). Así pues, para poder analizar, lo primero es determinar de qué tipo de unidades estamos hablando.
Después se trata de comparar. Si lo que se pretende es aprender, adquirir nuevos conocimientos, debemos observar lo que tenemos frente nosotros (datos disponibles), comparar, sintetizar, inferir... En fin, todas estas operaciones que requieren la "inteligencia" de algo para sacar provecho en el uso. Volvamos a un nuevo ejemplo muy fácil: el dato en sí sobre la potencia de un motor no nos dice nada clarificatorio de veras sobre su uso, pero si lo dividimos por el peso del vehículo, ya tenemos un poco más de información. Avancemos un poco más: volvemos a dividir el peso del motor entre el peso del vehículo y ya obtendremos un parámetro adimensional, es decir, una cantidad sin dimensión. Está claro que se trata de un concepto abstracto y, en ese sentido, planteaba yo el calificativo de metafísico. Pero en función de este tipo de parámetros podríamos obtener mucha información concreta en variadas circunstancias manejando una serie de datos comparativos. Tomar referencias y compararlas.

En mente esta explicación más fácil de lo que vendría a resultar un análisis adimensional, quizás sea posible acercarnos a un concepto más clarificador, para nosotros, de la utilidad e importante funcionalidad que presenta el Número de Reynols en el terreno de la aerodinámica.
Ya no queda más remedio que plantarle cara a la fórmula matemática:

Re (Reynols) = la densidad del aire por una velocidad y para alguna longitud determinada, dividido entre el coeficiente de viscosidad

Utilizando unidades métricas la ecuación se formularía así: Re = 67,778 x vL, con v en m/seg y L en metros.
La longitud equivaldría a la dimensión de la cuerda de un ala (concepto que ya definimos al principio) o, en nuestro caso, la longitud de un coche.

Bien, pues el Número de Reynols es un método que hace posible comparar datos obtenidos a diferentes velocidades y diferentes escalas. Y esto, dentro del planteamiento de desarrollo de la investigación aerodinámica, resulta crucial y decisivo, como veremos ahora. Al despejar las unidades de densidad, velocidad, longitud y viscosidad de la ecuación, se anulan y dan como resultado un número. Por ello el Número de Reynols es otra cantidad sin dimensión.

Transcribiré textualmente el ejemplo que se da en el libro para ver cómo se opera con estos datos:

"Tomemos, como ejemplo, un coche de pasajeros de tamaño medio de 4,5 m de longitud viajando a 25 m/seg, entonces el Número de Reynols da como resultado 7,6 millones, ó 7,6 x 10 elevado a 6, en modo científico. ¿Y qué? Bien, considere el caso como el de un modelo a escala 1/4. A la misma velocidad, el Número de Reynols será un cuarto de valor de la escala real, ó 1,9 millones (1,9 x 10 elevado a 6). Ahora, si el túnel de viento utilizado para estas pruebas sólo fuera capaz de producir velocidades de , por ejemplo, 10 m/seg, entonces el Número de Reynols caería hasta 760. 000 ó 7,6 x 10 elevado a 5. Puede ser posible que los resultados obtenidos a esta escala y esta velocidad no puedan ser aplicables al modelo real, a la velocidad real, porque los efectos de la viscosidad y densidad hacen que los patrones de flujo sean diferentes. Recuerde que la capa límitecomienza siendo bastante estrecha y laminar en la parte delantera de un cuerpo móvil, pero según pasa por el cuerpo se vuelve más gruesa y bastante más turbulenta. Por eso, no resulta muy difícil ver que, en un modelo a escala, la transición de la capa límite fina y laminar a gruesa y turbulenta seguramente ocurrirá más atrás, hablando relativamente, que en el cuerpo de tamaño real.
Por esto, el Número de Reynols resulta un modo conveniente de indicar la escala y velocidad a la que se obtuvieron los datos, siempre y cuando se interpreten en su contexto y se comparen con otros datos obtenidos con escalas y velocidades similares. Pero el Número de Reynols también puede usarse como indicador de si un flujo será laminar o turbulento, ya que, en general, el flujo se vuelve más turbulento con el aumento de la velocidad, además de con el aumento de la longitud (L) del cuerpo. De este modo, un Número de Reynols alto puede indicar que el flujo es turbulento".

Bien, si volvemos a nuestros ejemplos más simples -o llevados a un modo de explicación más fácil de asimilar- podríamos describir una "extraña" comparación. Pensemos por un momento la viscosidad del aire bajo una analogía: la miel. ¿Cómo podríamos comparar una bala que se mueve en miel caliente con un F1 que se mueve en el aire? No, no estoy flipando , ahora veréis... Pues lo podríamos comparar por el Número de Reynols. Mejor aún: ¿Cómo podemos comparar un F1 en un túnel de viento caliente con un coche en carrera en un invierno gélido? ¿Posible? Pues sí. Con el Número de Reynols. Como en el túnel resulta muy caro variar la densidad del aire (se podría hacer, pero... ), pues se tienen que igualar los números de Reynols. Y esto se haría variando la velocidad o la longitud característica de ambas. Así, un aire caliente con un coche un poco más grande y más rápido en la Tierra es lo mismo que un aire frío con un coche más pequeño y más lento en Marte. Pero cualquier comparación llevada a cabo se hace buscando siempre la igualdad de Números de Reynols.
Además de para comparar, también se puede utilizar para clasificar; para una misma velocidad y aire, cuanto más grande es el vehículo -como acabamos de citar en el ejemplo del autor- más turbulencia. La mejor imagen que podríamos hacernos para visualizar este caso sería, por ejemplo, la turbulencia que generaría un camión viajando a 250 km/h.

Lo que cabe concluir tras todo este análisis es, pues, que el Número de Reynols tiene en verdad una utilidad muy importante.

Faltarían por defirnir en este apartado un par de conceptos más: la tridemensionalidad del flujo de aire y gradientes de presión, pero mejor lo dejamos para una siguiente explicación.

Es viernes por la tarde y lo que toca decir y desearos a todos es... que paséis un fantástico fin de semana