Principios de vuelo. Resistencia y densidad del aire

Principios de vuelo. Resistencia y densidad del aire

El aire, como ya hemos hablado en otros posts, se caracteriza por no tener volumen propio por lo que es capaz de expandirse o contraerse para adpatarse al recipiente que lo contiene. Aunque el aire es un fluido compresible en el que al aumentar su presión aumenta su densidad, a velocidades subsónicas se le considera como un fluido imcompresible en el que la densidad permanece constante en todos los puntos de la corriente.

En los sólidos las moléculas se encuentran fuertemente unidas, por lo que se necesitan fuerzas muy grandes para deformarlos o romperlos, poseen un importante rozamiento ( viscosidad ) o resistencia a la deformación cuando se le aplican fuerzas tangenciales ( cizalladura ).

Al contrario que en los sólidos, en los fluidos la resistencia a la deformación ( viscosidad ) es mucho menor por lo que con poca fuerza sus moléculas pueden deslizarse unas con respecto a las otras.

Del conjunto de fluidos, la viscosidad de los líquidos es superior a la de los gases, y en concreto en aerodinámica, el aire posee una relativa escasa viscosidad, pero esta ligera viscosidad es suficiente para influir decisivamente en los cuerpos que se encuentran dentro de él.

Cuando el aire fluye a través de un cuerpo existe una fuerza que se opone a su avance causada por la fricción del fluido. Para determinar esta resistencia del aire es indiferente que el cuerpo se mueva a través del aire como que el cuerpo esté en reposo y sea el aire el que fluye a su alrededor.

Existen diversos factores que influyen en la magnitud de la resistencia que ofrece el aire, a saber, lo que se encuentran relacionados con el propio cuerpo ( tamaño y forma ), otros al fluido del aire ( masa de corriente de aire, densidad, viscosidad, temperatura, compresibilidad… ) y el resto asociados a la iteracción y al contacto mútuo del cuerpo con el aire ( fricción, movimiento del cuerpo a través del aire y posición del cuerpo en relación a la corriente de aire ).

Con estos datos y para evitar complejas fórmulas y cálculos, la mecánica de fluidos combina teoría y práctica para intentar resolver este problema, vamos a intentar comprenderlo.

La fuerza que el fluido genera al impactar con el cuerpo se descompone en,

  • Una componente perpendicular o normal derivada del choque de las moléculas del aire con la superficie del cuerpo
  • Una componente tangencial debida a la viscosidad del aire

Cuando un cuerpo se encuentra en movimiento en el aire, el contacto físico del cuerpo con el fluido se produce en todos y cada uno de los puntos de la superficie del cuerpo.

Fuerzas de presion y tangenciales
Fuerzas de presion y tangenciales

Con todos estos datos y sin entrar en detalles, podremos determinar que la resistencia del aire o resistencia aerodinámica a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire en la dirección de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo y . La resistencia siempre ocurre en sentido opuesto a esa velocidad y se opone al avance del cuerpo a través del aire. El valor de la resistencia que ejerce el aire con relación a la superficie de un cuerpo se expresa como,

F = 1/2ρv2SCr

Donde F es la fuerza de la resistencia, ρ es la densidad del aire, v es la velocidad, S la superficie de referencia y Cr es un coeficiente de resistencia adimensional que depende de la geometría del cuerpo y las propiedades del fluido ( viscosidad, velocidad y densidad ). En la fórmula la expresión 1/2ρv2 corresponde a la presión dinámica originada por el movimiento del aire.

Recordamos que la densidad de un cuerpo se define como la masa de un cuerpo contenida en una unidad de volumen, ρ = Masa/Volumen.  En los cuerpos sólidos las moléculas están en contacto unas con otras por lo que su densidad permanece definida, pero en el aire, las moléculas se encuentran separadas de tal forma que las fuerzas de atracción y repulsión no son capaces de mantener una estructura definida por lo que pueden moverse con, prácticamente, absoluta libertad.

Por tanto, al aumentar la altitud una masa de aire ocupa mayor volumen, la densidad del aire descenderá con la altura.

Si en la fórmula de la resistencia consideramos todos los valores constantes a excepción de la densidad ( ρ ) observamos que la resistencia es directamente proporcional a la altitud.

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