Aquí en la Tierra, tendemos a dar por sentado la resistencia del aire (también conocida como "arrastre"). Suponemos que cuando lanzamos una pelota, lanzamos un avión, desorbitamos una nave espacial o disparamos una bala con un arma, el hecho de que viaje a través de nuestra atmósfera, naturalmente, la ralentizará. ¿Pero cuál es la razón de esto? ¿Cómo es que el aire puede ralentizar un objeto, ya sea en caída libre o en vuelo?
Debido a nuestra dependencia de los viajes aéreos, nuestro entusiasmo por la exploración espacial y nuestro amor por los deportes y por hacer que las cosas se transporten por el aire (incluido nosotros mismos), comprender la resistencia aérea es clave para comprender la física y una parte integral de muchas disciplinas científicas. Como parte de la subdisciplina conocida como dinámica de fluidos, se aplica a los campos de aerodinámica, hidrodinámica, astrofísica y física nuclear (por nombrar algunos).
Definición:
Por definición, la resistencia del aire describe las fuerzas que están en oposición al movimiento relativo de un objeto a medida que pasa a través del aire. Estas fuerzas de arrastre actúan en sentido opuesto a la velocidad de flujo que se aproxima, disminuyendo así la velocidad del objeto. A diferencia de otras fuerzas de resistencia, la resistencia depende directamente de la velocidad, ya que es el componente de la fuerza aerodinámica neta que actúa en sentido opuesto a la dirección del movimiento.
Otra forma de decirlo sería decir que la resistencia al aire es el resultado de colisiones de la superficie principal del objeto con moléculas de aire. Por lo tanto, se puede decir que los dos factores más comunes que tienen un efecto directo sobre la cantidad de resistencia al aire son la velocidad del objeto y el área de la sección transversal del objeto. Ergo, tanto las velocidades aumentadas como las áreas de sección transversal darán como resultado una mayor cantidad de resistencia al aire.
En términos de aerodinámica y vuelo, el arrastre se refiere tanto a las fuerzas que actúan en sentido opuesto al empuje, como a las fuerzas que trabajan perpendicularmente a él (es decir, elevación). En astrodinámica, la resistencia atmosférica es una fuerza positiva y negativa, dependiendo de la situación. Es tanto una pérdida de combustible y eficiencia durante el despegue como un ahorro de combustible cuando una nave espacial regresa a la Tierra desde la órbita.
Cálculo de resistencia al aire:
La resistencia al aire generalmente se calcula utilizando la "ecuación de arrastre", que determina la fuerza experimentada por un objeto que se mueve a través de un fluido o gas a una velocidad relativamente grande. Esto se puede expresar matemáticamente como:
En esta ecuación, FD representa la fuerza de arrastre, pags es la densidad del fluido v es la velocidad del objeto en relación con el sonido, UNA es el área de la sección transversal, ydiscos compactos es el coeficiente de arrastre. El resultado es lo que se llama "arrastre cuadrático". Una vez que se determina esto, calcular la cantidad de energía necesaria para superar el arrastre implica un proceso similar, que se puede expresar matemáticamente como:
Aquí, Pdes el poder necesario para vencer la fuerza de arrastre, Fd es la fuerza de arrastre, v es la velocidad, pags es la densidad del fluido v es la velocidad del objeto en relación con el sonido, UNA es el área de la sección transversal, yDiscos compactos es el coeficiente de arrastre. Como se muestra, las necesidades de potencia son el cubo de la velocidad, por lo que si se necesitan 10 caballos de fuerza para alcanzar 80 km / h, se necesitarán 80 caballos de fuerza para alcanzar 160 km / h. En resumen, una duplicación de la velocidad requiere una aplicación de ocho veces la cantidad de energía.
Tipos de resistencia al aire:
Existen tres tipos principales de resistencia aerodinámica: elevación inducida, parasitaria y onda. Cada uno afecta la capacidad de los objetos para mantenerse en alto, así como la potencia y el combustible necesarios para mantenerlo allí. El arrastre inducido (o simplemente inducido) se produce como resultado de la creación del levantamiento en un cuerpo de elevación tridimensional (ala o fuselaje). Tiene dos componentes principales: arrastre de vórtice y arrastre viscoso inducido por elevación.
Los vórtices se derivan de la mezcla turbulenta de aire de presión variable en las superficies superior e inferior del cuerpo. Estos son necesarios para crear ascensor. A medida que aumenta la elevación, también lo hace la resistencia inducida por la elevación. Para un avión, esto significa que a medida que el ángulo de ataque y el coeficiente de elevación aumentan hasta el punto de parada, también lo hace el arrastre inducido por la elevación.
Por el contrario, el arrastre parasitario es causado al mover un objeto sólido a través de un fluido. Este tipo de arrastre se compone de múltiples componentes, que incluyen "arrastre de formulario" y "arrastre de fricción de la piel". En la aviación, la resistencia inducida tiende a ser mayor a velocidades más bajas porque se requiere un alto ángulo de ataque para mantener la elevación, por lo que a medida que aumenta la velocidad, esta resistencia disminuye mucho más, pero la resistencia parasitaria aumenta porque el fluido fluye más rápido alrededor de los objetos que sobresalen aumentando la fricción. La curva de arrastre general combinada es mínima en algunas velocidades aéreas y será igual o cercana a su eficiencia óptima.
El arrastre de onda (arrastre de compresibilidad) se crea por la presencia de un cuerpo que se mueve a alta velocidad a través de un fluido compresible. En aerodinámica, el arrastre de onda consta de múltiples componentes dependiendo del régimen de velocidad del vuelo. En vuelo transónico, a velocidades de Mach 0.5 o mayores, pero aún menor que Mach 1.0 (también conocida como velocidad del sonido), el arrastre de ondas es el resultado del flujo supersónico local.
El flujo supersónico ocurre en cuerpos que viajan muy por debajo de la velocidad del sonido, ya que la velocidad local del aire en un cuerpo aumenta cuando se acelera sobre el cuerpo. En resumen, los aviones que vuelan a velocidades transónicas a menudo incurren en arrastre de olas como resultado. Esto aumenta a medida que la velocidad del avión se acerca a la barrera del sonido de Mach 1.0, antes de convertirse en un objeto supersónico.
En vuelo supersónico, el arrastre de onda es el resultado de ondas de choque oblicuas formadas en los bordes delantero y trasero del cuerpo. En flujos altamente supersónicos, se formarán ondas de proa. A velocidades supersónicas, el arrastre de onda se divide comúnmente en dos componentes, arrastre de onda dependiente de elevación supersónica y arrastre de onda dependiente de volumen supersónico.
Comprender el papel que juegan las fricciones aéreas con el vuelo, conocer su mecánica y conocer los tipos de potencia necesarios para superarlo, son cruciales cuando se trata de la exploración aeroespacial y espacial. ¡Saber todo esto también será crítico cuando llegue el momento de explorar otros planetas en nuestro Sistema Solar y en otros sistemas estelares por completo!
Hemos escrito muchos artículos sobre resistencia al aire y vuelo aquí en la revista Space. Aquí hay un artículo sobre ¿Qué es la velocidad terminal ?, ¿Cómo vuelan los aviones ?, ¿Cuál es el coeficiente de fricción ?, ¿Cuál es la fuerza de la gravedad?
Si desea obtener más información sobre los programas de aviones de la NASA, consulte la Guía para principiantes de aerodinámica, y aquí hay un enlace a la ecuación de arrastre.
También hemos grabado muchos episodios relacionados de Astronomy Cast. Escucha aquí, Episodio 102: Gravedad.
