Las Notas de Jero, Un lujo a nuestro alcance... Opciones

[tenista]

Quiero presentaros a...

Jero
@jeroitim

Ingeniero Mecánico. Apasionado por la ingeniería de Competición, en especial F1. E interesado en la aviación militar.

Desde hoy hasta cuando él quiera, nos "aprovecharemos" de sus conocimientos, para aumentar los nuestros. Sirva como presentación el siguiente hilo, creo es bastante mejor a que yo siga escribiendo palabra tras palabra.








https://twitter.com/jeroitim/status/1342857480716611590

[Jero]

Buenas tardes.

Unas nociones básicas de aerodinámica, por si no sabes bien como funciona. Para empezar, la aerodinámica pertenece a la mecánica de fluidos y se dedica al estudio de las fuerzas a las que se somete a un sólido cuando este se mueve a través del aire. Es decir, estudia las reacciones que ofrece ese fluido (aire) cuando es atravesado por un sólido en movimiento (tanto constante como acelerado).

Bien, te enseño ejemplos gráficos de los principales parámetros que estudia la aerodinámica. Hablo en general, no me centro en competición automovilística pero si te digo que se estudia de la misma manera.

Para empezar, lo más importante es saber que es la fuerza aerodinámica, la resistencia aerodinámica y como se generan. Por partes, ¿qué es la fuerza aerodinámica? Es la fuerza ejercida por el aire debido al movimiento del sólido que lo atraviesa, es decir que se encuentra "sumergido" en ese aire.



La fuerza aerodinámica tiene dos componentes, como puedes ver en el gráfico:

1.- Sustentación, que es una fuerza "normal" (perpendicular) al movimiento del sólido, y que es debida a la presión que el aire ejerce sobre la superficie del sólido.
2.- Resistencia, que es una fuerza paralela al movimiento y que surge debido a la viscosidad del fluido (aire), haciendo que las partículas rocen con la superficie del sólido. Esto "roba" energía y frena el movimiento.

También se genera fuerza aerodinámica en las hélices de un rotor, generando empuje al mismo aire y provocando que el vehículo pueda moverse.

Como has leído, hay un parámetro muy interesante (para estudio) que es la viscosidad de un fluido. Se entiende por viscosidad dinámica a la resistencia que ofrece el fluido a deformarse. Por ejemplo, comparar agua y aceite de oliva. Si te pregunto cuál es más viscoso, seguro me respondes que el aceite, y es debido a que se resiste más a moverse que el agua, es decir "fluye" mejor el agua que el aceite.



En este gráfico lo verás mejor. Imagina que es un sólido deformable y que ejerces una fuerza para intentar desplazarlo, el resultado será como el de la imagen c). Imagina diferentes capas, rozando entre si e impidiendo el movimiento de todo el conjunto.
Bien, con los fluidos sucede igual, sólo que no hay una unión tan fuerte de sus moléculas y pueden llegar a desprenderse si se ejercen fuerzas superiores a lo que la viscosidad permite.

Así llego a otro concepto que necesitas conocer. Este concepto es más complicado, pero lo vas a entender en su base. Me refiero a la "capa límite", que es la región espacial dónde la velocidad de desplazamiento de un fluido se ve perturbada por la superficie de un sólido que lo esté atravesando.



En el gráfico ves lo que se llama campo de velocidades. Como verás, este cambia al pasar por la superficie del sólido, alterando el campo de velocidades del fluido. A la línea que ves que marca la diferenciación, se la denomina capa límite. Es muy importante estudiarla para que un perfil alar, o una carrocería, o cualquier otra pieza funcione bien al atravesar el aire. Llegado el caso de que la viscosidad no sea suficiente para mantener las capas ordenadas, el fluido comenzará a moverse de manera caótica, fenómeno conocido como "desprendimiento de la capa límite".



En las diferentes figuras, observas el movimiento del fluido. En los casos 1, 2, 5, y 6, observas el fenómeno del desprendimiento de la capa límite. Esto sucede porque la viscosidad del fluido ya no puede mantener las moléculas ordenadas, y entonces pasa a moverse en régimen turbulento.

Bien, ahora paso a explicarte como genera sustentación en las alas de los aviones, y además sirve para explicar como generan carga aerodinámica los alerones de competición automovilística.



Primero, conocer bien la geometría de un perfil alar. La sustentación, acuérdate, se generaba debido a la presión ejercida por el fluido (en este caso, aire). ¿Dónde? En el borde denominado intradós, el cuál tiene mayor radio de curvatura (curva más plana) que el extradós. Esto produce una diferencia de presiones que hace que el aire que se dirige por la parte superior se mueva más rápido que por la parte inferior.

Aquí tengo que explicarte el Principio de Bernoulli, el cuál nos dice que un fluido cualquiera, en circulación por un conducto cerrado, no observará variación de su energía total en todo el recorrido de ese conducto, sea cual fuere su forma, sección o secciones, y longitud. Esto derivó en la deducción de que cuando un fluido aumentaba su velocidad, disminuía su presión, y viceversa.

Esto, añadido a la Tercera Ley de Newton, nos da como consecuencia la generación de una fuerza normal a la trayectoria, y que depende de varios factores (explicados a groso modo, no quiero liarte mucho):

- Superficie alar.
- Velocidad de desplazamiento.
- �ngulo de ataque del ala. Este ángulo es el formado entre la cuerda del perfil y la horizontal. Cuánto mayor sea, mayor será la sustentación ejercida... hasta un límite, que produce el desprendimiento de la capa límite y, por ende, la entrada en pérdida de ese ala.



El perfil de presiones, que observas en esta figura, puede modificarse debido al ángulo de ataque. Como ves, la presión es positiva en el intradós (se genera empuje) y negativa en el extradós (se genera succión).
Esto me lleva a hablarte del "centro de presiones", que es la zona dónde se aplica la resultante de todas las fuerzas de presión que ejerce el fluido sobre el ala.



El centro de presiones depende del ángulo de ataque, a mayor ángulo de ataque más cercano al borde de ataque estará. A su vez, más resistencia aerodinámica se ejercerá.

De momento, creo que vale por hoy. Durante el fin de semana te seguiré hablando más sobre aerodinámica, centrándome en la resistencia aerodinámica. Espero te haya gustado.