La resistencia aerodinámica es una fuerza que actúa de forma opuesta al movimiento relativo de cualquier objeto. Puede existir entre dos capas de superficie sólida. A diferencia de otros conjuntos resistivos, como el rozamiento seco, que son casi independientes de la velocidad, las fuerzas de arrastre obedecen a un valor dado. Aunque la causa última de la acción es la fricción viscosa, la turbulencia es independiente de ella. La fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad del flujo laminar.
Concepto
La resistencia aerodinámica es la fuerza que actúa sobre cualquier cuerpo sólido en movimiento en la dirección del fluido que se aproxima. En términos de aproximación de campo cercano, el arrastre es el resultado de las fuerzas debidas a la distribución de la presión sobre la superficie del objeto, simbolizado por D. Debido a la fricción superficial, que es el resultado de la viscosidad, se denota De. Alternativamente, calculada desde el punto de vista del campo de flujo, la fuerzala resistencia surge como resultado de tres fenómenos naturales: ondas de choque, capa de vórtice y viscosidad. Todo esto se puede encontrar en la tabla de resistencia aerodinámica.
Resumen
La distribución de la presión que actúa sobre la superficie de un cuerpo afecta a grandes fuerzas. Ellos, a su vez, pueden resumirse. Los componentes aguas abajo de este valor constituyen el poder de arrastre, Drp, debido a la distribución de la presión que afecta al cuerpo. La naturaleza de estas fuerzas combina efectos de ondas de choque, generación de sistemas de vórtices y mecanismos de estela.
La viscosidad de un fluido tiene un efecto significativo en la resistencia. En ausencia de este componente, las fuerzas de presión que actúan para frenar el vehículo son neutralizadas por la potencia que está en la parte trasera y empuja el vehículo hacia delante. Esto se llama represurización, lo que da como resultado una resistencia aerodinámica cero. Es decir, el trabajo que el cuerpo realiza sobre el flujo de aire es reversible y recuperable ya que no existen efectos de fricción para convertir la energía del flujo en calor.
La recuperación de presión funciona incluso en caso de movimiento viscoso. Este valor, sin embargo, da como resultado potencia. Es el componente dominante de la resistencia en el caso de los vehículos con regiones de flujo dividido donde la recuperación de carga se considera bastante ineficiente.
La fuerza de fricción, que es la potencia tangencial en la superficieavión, depende de la configuración de la capa límite y de la viscosidad. La resistencia aerodinámica, Df, se calcula como la proyección aguas abajo de los conjuntos de pantanos estimados a partir de la superficie del cuerpo.
La suma de la fricción y la resistencia a la presión se llama resistencia viscosa. Desde una perspectiva termodinámica, los efectos de atolladero son fenómenos irreversibles y, por lo tanto, crean entropía. La resistencia viscosa calculada Dv usa cambios en este valor para predecir con precisión la fuerza de rebote.
Aquí también es necesario dar la fórmula para la densidad del aire del gas: РV=m/MRT.
Cuando un avión produce sustentación, hay otro componente de retroceso. Resistencia inducida, Di. Surge del cambio en la distribución de presión del sistema de vórtice que acompaña a la producción del ascensor. Se logra una perspectiva de sustentación alternativa al considerar el cambio en el impulso del flujo de aire. El ala intercepta el aire y lo obliga a moverse hacia abajo. Esto da como resultado una fuerza de arrastre igual y opuesta que actúa sobre el ala, que es sustentación.
Cambiar el impulso del flujo de aire hacia abajo conduce a una disminución en el valor inverso. Que es el resultado de la fuerza que actúa hacia adelante sobre el ala aplicada. Una masa igual pero opuesta actúa sobre la espalda, que es el arrastre inducido. Suele ser el componente más importante de las aeronaves durante el despegue o el aterrizaje. Otro objeto de arrastre, el arrastre de onda (Dw) se debe a las ondas de choquea velocidades transónicas y supersónicas de la mecánica de vuelo. Estos rollos provocan cambios en la capa límite y la distribución de la presión sobre la superficie del cuerpo.
Historia
La idea de que un cuerpo en movimiento que pasa por el aire (fórmula de la densidad) u otro líquido encuentra resistencia se conoce desde la época de Aristóteles. Un artículo de Louis Charles Breguet escrito en 1922 inició un esfuerzo por reducir la resistencia mediante la optimización. El autor siguió dando vida a sus ideas y creó varios aviones que batieron récords en las décadas de 1920 y 1930. La teoría de la capa límite de Ludwig Prandtl en 1920 proporcionó un incentivo para minimizar la fricción.
Sir Melville Jones, quien introdujo conceptos teóricos para demostrar de manera convincente la importancia de la secuenciación en el diseño de aeronaves, hizo otro llamado importante para la secuenciación. En 1929, su trabajo The Streamlined Airplane presentado a la Royal Aeronautical Society fue fundamental. Propuso un avión ideal que tendría una resistencia mínima, lo que llevó al concepto de un monoplano "limpio" y un tren de aterrizaje retráctil.
Uno de los aspectos del trabajo de Jones que más conmocionó a los diseñadores de la época fue su trama de potencia versus velocidad para un avión real e ideal. Si observa el punto de datos de un avión y lo extrapola horizontalmente a una curva perfecta, puede ver la recompensa pronto por la misma potencia. Cuando Jones terminó su presentación, uno de los oyentesnivel de importancia como el ciclo de Carnot en termodinámica.
Resistencia inducida por levantamiento
El contragolpe inducido por sustentación resulta de la creación de una pendiente en un cuerpo tridimensional, como el ala o el fuselaje de un avión. El frenado inducido consta principalmente de dos componentes:
- Arrastre debido a la creación de vórtices de arrastre.
- Tener un arrastre viscoso adicional que no existe cuando la sustentación es cero.
Los vórtices de retorno en el campo de flujo presentes como resultado de la elevación del cuerpo se deben a la mezcla turbulenta de aire por encima y por debajo del objeto, que fluye en varias direcciones diferentes como resultado de la creación de elevación.
Con otros parámetros que siguen siendo los mismos que la sustentación creada por el cuerpo, la resistencia causada por la pendiente también aumenta. Esto significa que a medida que aumenta el ángulo de ataque del ala, aumenta el coeficiente de sustentación, al igual que el rebote. Al comienzo de una pérdida, la fuerza aerodinámica boca abajo disminuye drásticamente, al igual que la resistencia inducida por la sustentación. Pero este valor aumenta debido a la formación de un flujo turbulento independiente después del cuerpo.
Arrastre falso
Esta es la resistencia causada por el movimiento de un objeto sólido a través de un líquido. El arrastre parasitario tiene varios componentes, incluido el movimiento debido a la presión viscosa y debido a la rugosidad de la superficie (fricción de la piel). Además, la presencia de varios cuerpos en relativa proximidad puede provocar el llamadoresistencia a la interferencia, que a veces se describe como un componente del término.
En la aviación, la holgura inducida tiende a ser más fuerte a velocidades más bajas porque se requiere un ángulo de ataque alto para mantener la sustentación. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, se puede reducir, al igual que la resistencia inducida. Sin embargo, la resistencia parásita aumenta porque el fluido fluye más rápido alrededor de los objetos que sobresalen, lo que aumenta la fricción.
A velocidades más altas (transónicas), la resistencia de las ondas alcanza un nuevo nivel. Cada una de estas formas de repulsión varía proporcionalmente a las demás dependiendo de la velocidad. Por lo tanto, la curva de resistencia general muestra un mínimo a cierta velocidad: la aeronave tendrá una eficiencia óptima o estará cerca de ella. Los pilotos utilizarán esta velocidad para maximizar la resistencia (consumo mínimo de combustible) o la distancia de planeo en caso de falla del motor.
Curva de potencia de aviación
La interacción de la resistencia parásita e inducida en función de la velocidad aerodinámica se puede representar como una línea característica. En aviación, esto a menudo se conoce como la curva de potencia. Es importante para los pilotos porque muestra que por debajo de cierta velocidad aerodinámica, y de manera contraria a la intuición, se requiere más empuje para mantenerla a medida que disminuye la velocidad aerodinámica, no menos. Las implicaciones de estar "detrás de escena" en vuelo son importantes y se enseñan como parte de la formación de pilotos. en subsónicovelocidades donde la forma de U de esta curva es significativa, la resistencia de las olas aún no se ha convertido en un factor. Por eso no se muestra en la curva.
Frenando en flujo transónico y supersónico
El arrastre de ondas de compresión es el arrastre que se crea cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido comprimible ya velocidades cercanas a la velocidad del sonido en el agua. En aerodinámica, la resistencia de las olas tiene muchos componentes según el modo de conducción.
En la aerodinámica del vuelo transónico, la resistencia de las ondas es el resultado de la formación de ondas de choque en el líquido, que se forman al crear áreas locales de flujo supersónico. En la práctica, tal movimiento ocurre en cuerpos que se mueven muy por debajo de la velocidad de la señal, ya que aumenta la velocidad local del aire. Sin embargo, el flujo supersónico completo sobre el vehículo no se desarrollará hasta que el valor haya ido mucho más allá. Las aeronaves que vuelan a velocidades transónicas a menudo experimentan condiciones de olas durante el curso normal del vuelo. En vuelo transónico, esta repulsión se conoce comúnmente como arrastre de compresibilidad transónica. Se intensifica enormemente a medida que aumenta su velocidad de vuelo, dominando otras formas a esas velocidades.
En el vuelo supersónico, la resistencia de las ondas es el resultado de las ondas de choque presentes en el fluido y adheridas al cuerpo, que se forman en los bordes delantero y trasero del cuerpo. En flujos supersónicos, o en cascos con ángulos de rotación suficientemente grandes, habrá en cambioSe forman ondas de choque sueltas o curvas. Además, las áreas locales de flujo transónico pueden ocurrir a velocidades supersónicas más bajas. A veces conducen al desarrollo de ondas de choque adicionales presentes en las superficies de otros ascensores, similares a las que se encuentran en los flujos transónicos. En regímenes de flujo potente, la resistencia de las olas generalmente se divide en dos componentes:
- Elevación supersónica dependiendo del valor.
- Volumen, que también depende del concepto.
Sears y Haack encontraron la solución de forma cerrada para la resistencia de onda mínima de un cuerpo de revolución con una longitud fija y se conoce como "Distribución de Seers-Haack". De manera similar, para un volumen fijo, la forma de la resistencia de onda mínima es "Von Karman Ogive".
El biplano de Busemann, en principio, no está sujeto a tal acción cuando opera a la velocidad de diseño, pero tampoco es capaz de generar sustentación.
Productos
Un túnel de viento es una herramienta utilizada en la investigación para estudiar el efecto del aire que se mueve a través de objetos sólidos. Este diseño consiste en un pasaje tubular con el objeto bajo prueba colocado en el medio. El aire se mueve más allá del objeto mediante un potente sistema de ventilador u otros medios. El objeto de prueba, a menudo denominado modelo de tubería, está equipado con sensores apropiados para medir las fuerzas del aire, la distribución de presión u otroscaracterísticas aerodinámicas. Esto también es necesario para detectar y corregir el problema en el sistema a tiempo.
¿Cuáles son los tipos de aviones?
Veamos la historia primero. Los primeros túneles de viento se inventaron a finales del siglo XIX, en los primeros días de la investigación aeronáutica. Fue entonces cuando muchos intentaron desarrollar exitosamente aviones más pesados que el aire. El túnel de viento fue concebido como un medio para invertir el paradigma convencional. En lugar de quedarse quieto y mover un objeto a través de él, se obtendría el mismo efecto si el objeto se quedara quieto y el aire se moviera a mayor velocidad. De esta forma, un observador estacionario puede estudiar el producto volador en acción y medir la aerodinámica práctica que se le impone.
El desarrollo de las tuberías acompañó el desarrollo de la aeronave. Grandes elementos aerodinámicos se construyeron durante la Segunda Guerra Mundial. Las pruebas en un tubo de este tipo se consideraron estratégicamente importantes durante el desarrollo de aviones y misiles supersónicos durante la Guerra Fría. Hoy en día, los aviones son cualquier cosa. Y casi todos los desarrollos más importantes ya se han introducido en la vida cotidiana.
Más tarde, la investigación en túneles de viento se convirtió en algo normal. El efecto del viento en las estructuras u objetos hechos por el hombre tuvo que estudiarse cuando los edificios se volvieron lo suficientemente altos como para presentar grandes superficies al viento, y las fuerzas resultantes tuvieron que ser resistidas por los elementos internos del edificio. La definición de tales conjuntos fue requerida antes de que los códigos de construcción pudierandeterminar la resistencia requerida de las estructuras. Y tales pruebas continúan usándose para edificios grandes o inusuales hasta el día de hoy.
Incluso más tarde, se aplicaron controles a la resistencia aerodinámica de los automóviles. Pero esto no fue para determinar las fuerzas como tales, sino para establecer formas de reducir la potencia requerida para mover el automóvil a lo largo de las calzadas a una velocidad determinada. En estos estudios, la interacción entre la carretera y el vehículo juega un papel importante. Es él quien debe tenerse en cuenta al interpretar los resultados de las pruebas.
En una situación real, la carretera se mueve en relación con el vehículo, pero el aire sigue siendo relativo a la carretera. Pero en un túnel de viento, el aire se mueve en relación con la carretera. Mientras que este último está parado con respecto al vehículo. Algunos túneles de viento de vehículos de prueba incluyen correas móviles debajo del vehículo de prueba. Esto es para acercarse al estado real. Se utilizan dispositivos similares en configuraciones de despegue y aterrizaje en túnel de viento.
Equipo
Las muestras de equipos deportivos también han sido comunes durante muchos años. Incluían palos y pelotas de golf, trineos olímpicos y ciclistas, y cascos de autos de carreras. La aerodinámica de estos últimos es especialmente importante en vehículos con cabina abierta (Indycar, Fórmula Uno). La fuerza de elevación excesiva en el casco puede causar un estrés significativoen el cuello del conductor, y la separación del flujo en la parte trasera es un sello turbulento y, como resultado, problemas de visión a altas velocidades.
Los avances en las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en computadoras digitales de alta velocidad han reducido la necesidad de realizar pruebas en túneles de viento. Sin embargo, los resultados de CFD aún no son completamente confiables, esta herramienta se utiliza para verificar las predicciones de CFD.
