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 y, espero, que buen domingo.

Hoy voy a hablar de la resistencia aerodinámica, que como recordarás es componente de la fuerza aerodinámica de la que te he hablado anteriormente. ¿Qué es la resistencia aerodinámica? Es una fuerza que se opone al movimiento de un sólido, "sumergido" dentro del aire. Esta fuerza tiene la misma dirección del movimiento, pero su sentido es el contrario al propio movimiento del sólido.

La resistencia aerodinámica se puede dividir en dos tipos principales:

- Resistencia parásita: Es la parte de la resistencia que no depende de la sustentación, o de la carga aerodinámica (downforce), es decir es resistencia generada por todas las superficies que no generan carga aerodinámica.

. Resistencia inducida: Esta resistencia se origina en las superficies, perfiles alares, que generan carga aerodinámica o sustentación. Es función directa, al igual que la carga aerodinámica, del ángulo de ataque del ala, o alerón, y a mayor ángulo de ataque, mayor resistencia.

Una imagen para que veas, a groso modo, que es la resistencia al avance que ejerce un fluido. Esto ocurre cuando un objeto sólido trata de moverse "sumergido" en un fluido. Creo que con una imagen es más sencillo comprender que es la resistencia fluidomecánica, particularmente la aerodinámica porque carecemos de capacidad para ver el aire. Aunque la imagen es de un barco, comprenderás al ver las estelas que deja el barco a su paso que es la resistencia fluidomecánica. La aerodinámica funciona igual, sólo que no podemos verla.



Bien, vuelvo a la resistencia parásita. Ésta se puede subdividir a su vez en tres componentes que son la resistencia del perfil aerodinámico, resistencia adicional y resistencia por interferencia.

- Resistencia del perfil aerodinámico: Esta se puede dividir en dos componentes, que serían la resistencia de presión y la resistencia de fricción. La primera debida a la estela que deja el aire al atravesar el perfil alar, esto "culpa" del efecto Coanda. La segunda debida a la viscosidad del fluido, aunque recuerda que el efecto Coanda y la viscosidad están íntimamente ligados.

- Resistencia adicional: Resistencia que provocan todas las superficies del objeto, cuerpo, etc, que están en movimiento sumergidas en el fluido; las cuáles no generan carga aerodinámica ninguna. Es decir, resistencia provocada por la carrocería, y elementos adicionales a esta (espejos, ruedas, etc).



- Resistencia por interferencia: Si recuerdas el fenómeno de capa límite, el cuál te he explicado anteriormente, es fácil llegar a la conclusión de que hay superficies en un vehículo que forman ángulos de 90º como mínimo, incluso águdos, entre sí. Esta cercanía entre superficies puede provocar que las diferentes capas límite de cada superficie, en la zona de encuentro entre estas, interfieran entre sí, alterando el flujo aerodinámico entre ellas.



Una de las razones de que la punta de flaps de un alerón delantero actual y la punta de la nariz estén separadas a 250 mm. del eje central de esa punta de nariz, es por evitar o reducir la resistencia por interferencia. Las sujecciones del alerón delantero al morro del monoplaza, que ves en la imagen, podrían interferir con esas puntas de flap y restar fuerza al vórtice Y250.

Y ahora si, entro de lleno en la resistencia inducida. Es la producida por un perfil alar al generar carga aerodinámica (lift o downforce). Esta es totalmente inevitable, y se produce debido a que las corrientes de aire que viajan por el intradós y el extradós, se encuentran en la punta (terminal) del ala (o alerón). Es directamente proporcional al ángulo de ataque, al igual que el coeficiente de carga aerodinámica (del que te hablé anteriormente); y es que la ecuación para calcular la resistencia aerodinámica es prácticamente igual que para calcular la carga aerodinámica, salvo por el cambio de coeficientes.



Debido precisamente a que la velocidad es un factor cuadrático, es por ello que la resistencia aumenta exponencialmente, conforme aumenta la velocidad linealmente. Es decir, pequeños aumentos de velocidad provocan aumentos significativos de la resistencia aerodinámica.



En el gráfico puedes ver el aumento de la resistencias mecánica y aerodinámica, que el vehículo deberá superar si quiere aumentar su velocidad de desplazamiento. A partir de unos 80 km/h aprox., la resistencia aerodinámica será la principal resistencia a vencer. El gráfico es genérico, pero la diferencia de pendiente de las curvas si es extrapolable a otros vehículos.

Bien, pongo de nuevo la ecuación de la resistencia aerodinámica.



De nuevo, la densidad del fluido es un factor a tener en cuenta. En el caso de la aerodinámica, como ya te dije, dependerá de la altura sobre el nivel del mar, y en menor medida de la temperatura.

El Cx, o coeficiente de penetración en aire (coeficiente aerodinámico), es un número adimensional que nos indica lo buena, o mala, que es una forma determinada. Aquí un ejemplo muy intuitivo:



Y aquí los diferentes Cx que tienen diferentes formas geométricas:



Ten en cuenta que cada forma está estudiada en esa posición geométrica. Si cambias su posición (con respecto a la dirección de movimiento), ya cambias su Cx.

Lo siguiente, al igual que con la carga aerodinámica, es la superficie frontal que se "enfrenta" al aire. Esto es un factor muy importante, ya que cuanto menor sea esa superficie, menor será la resistencia aerodinámica.
Aquí, además, surge el concepto de SCx, que no es más que el resultado de multiplicar el Cx por la superficie frontal del vehículo. Este número es un parámetro más importante que sólo el Cx, para saber si un vehículo ofrecerá más o menos resistencia aerodinámica.



El concepto SCx es la razón por la que los cilistas, y los pilotos de motos, tratan de reducir su superficie frontal cuando circulan tratando de alcanzar la velocidad máx. posible.

Indagando aún más en la resistencia parásita, te enseño esta imagen de un F1 "untado" con parafina para estudio del comportamiento del aire.



Cuando te expliqué el efecto Coanda, te comenté que era función de la viscosidad del fluido. Bien, para conseguir esa linealidad en el aire a su paso por las diferentes formas del monoplaza, habrás oido hablar de los generadores de vórtices (y lo necesarios que son hoy día). ¿Por qué? Bueno, cuando te hablé de la capa límite también te hablé de su desprendimiento. Si recuerdas, al desprenderse esa capa límite producía que el aire pasara a moverse en régimen turbulento (caótico) y, por lo tanto, esto produce que el aire se mueva en todas direcciones sin control.

Continuaré hablándote de resistencia aerodinámica en otro post, y de esos generadores de vórtices que ayudan a reducir la resistencia generada. Hasta el próximo.