La aerodinámica es el estudio de cómo los gases interactúan con los cuerpos en movimiento. Dado que el gas con el que más nos encontramos es el aire, la aerodinámica se ocupa principalmente de las fuerzas de arrastre y sustentación, causadas por el paso del aire sobre y alrededor de los cuerpos sólidos. Los ingenieros aplican los principios de la aerodinámica a los diseños de muchas cosas diferentes, incluyendo edificios, puentes e incluso balones de fútbol; sin embargo, la principal preocupación es la aerodinámica de los aviones y los automóviles.
La aerodinámica entra en juego en el estudio del vuelo y la ciencia de la construcción y el funcionamiento de una aeronave, que se denomina aeronáutica. Los ingenieros aeronáuticos utilizan los fundamentos de la aerodinámica para diseñar aviones que vuelan a través de la atmósfera terrestre.
La resistencia aerodinámica
La fuerza aerodinámica más importante que se aplica a casi todo lo que se mueve por el aire es la resistencia. La resistencia es la fuerza que se opone al movimiento de un avión a través del aire, según la NASA. La resistencia se genera en la dirección en que se mueve el aire cuando se encuentra con un objeto sólido. En la mayoría de los casos, como en los automóviles y las aeronaves, la resistencia es indeseable porque se necesita energía para superarla. Sin embargo, hay algunos casos en los que la resistencia es beneficiosa, como en los paracaídas, por ejemplo.
Para describir la cantidad de resistencia de un objeto, utilizamos un valor llamado coeficiente de resistencia (cd). Este número no sólo depende de la forma del objeto, sino también de otros factores, como su velocidad y la rugosidad de su superficie, la densidad del aire y si el flujo es laminar (suave) o turbulento. Las fuerzas que afectan a la resistencia son la presión del aire contra la cara del objeto, la fricción a lo largo de los lados del objeto y la presión relativamente negativa, o succión, en la parte posterior del objeto. Por ejemplo, la cd para una placa plana que se mueve de frente en el aire es de aproximadamente 1,3, un cubo de frente es de aproximadamente 1, una esfera es de aproximadamente 0,5 y una forma de lágrima es de aproximadamente 0,05. El coeficiente de resistencia aerodinámica de los automóviles modernos es de 0,25 a 0,35, y el de los aviones es de 0,01 a 0,03. Calcular el cd puede ser complicado. Por esta razón, suele determinarse mediante simulaciones por ordenador o experimentos en el túnel de viento.
Aerodinámica de las aeronaves
Para superar las fuerzas de resistencia, una aeronave debe generar empuje. Esto se consigue con una hélice motorizada o con un motor a reacción. Cuando el avión está en vuelo nivelado a una velocidad constante, la fuerza del empuje es suficiente para contrarrestar la resistencia aerodinámica.
El aire en movimiento también puede generar fuerzas en una dirección diferente a la del flujo. La fuerza que impide que un avión se caiga se llama sustentación. La sustentación es generada por el ala de un avión. La trayectoria sobre la parte superior curvada de un ala es más larga que la trayectoria a lo largo de la parte inferior plana del ala. Esto hace que el aire se mueva más rápido por la parte superior que por la inferior. En igualdad de condiciones, el aire que se mueve más rápido tiene menos presión que el que se mueve más lento, según el principio de Bernoulli, enunciado por Daniel Bernoulli, uno de los pioneros más importantes en el campo de la dinámica de fluidos. Esta diferencia es la que permite que el aire que se mueve más lentamente empuje hacia arriba contra la parte inferior del ala con mayor fuerza que el aire que se mueve más rápido empuja hacia abajo contra la parte superior del ala. En vuelo nivelado, esta fuerza ascendente es suficiente para contrarrestar la fuerza descendente causada por la gravedad.
Las fuerzas aerodinámicas también se utilizan para controlar un avión en vuelo. Cuando los hermanos Wright realizaron su primer vuelo en 1903, necesitaban una forma de controlar su avión para subir, bajar, inclinarse y girar. Desarrollaron lo que se conoce como control de tres ejes para el cabeceo, el balanceo y la guiñada. El cabeceo (el morro apuntando hacia arriba o hacia abajo) se controla mediante un elevador (los «flaps») situado en el borde posterior o de salida del estabilizador horizontal en la sección de cola. El alabeo (inclinación hacia la izquierda o la derecha) se controla con los alerones (también flaps) situados en los bordes de salida de las alas, cerca de las puntas. La guiñada (el morro apuntando a la izquierda o a la derecha) se controla con el timón situado en el borde de salida del estabilizador vertical en la sección de cola. Estos controles emplean la Tercera Ley del Movimiento de Newton porque generan fuerza al desviar el flujo de aire en la dirección opuesta al movimiento deseado. Esta fuerza es también la que permite a los aviones acrobáticos volar al revés.
Un piloto también puede utilizar los flaps en la sección interior del borde de fuga del ala durante el despegue y el aterrizaje. Cuando están en posición baja, los flaps aumentan tanto la sustentación como la resistencia para permitir que el avión vuele más despacio sin entrar en pérdida. Algunas aeronaves más grandes también pueden extender listones en los bordes delanteros o de ataque de las alas para aumentar la sustentación a bajas velocidades.
Cuando el flujo de aire suave sobre el ala de un avión se interrumpe y esto reduce la cantidad de sustentación, puede producirse una pérdida. Según el Manual de vuelo de aviones de la Administración Federal de Aviación, «esto se produce cuando el ala supera su ángulo de ataque crítico. Esto puede ocurrir a cualquier velocidad del aire, en cualquier actitud, con cualquier ajuste de potencia». Por lo general, la mayoría de las entradas en pérdida se producen cuando un avión se mueve demasiado despacio con el morro en un ángulo demasiado alto hacia arriba. El aire ya no fluye a lo largo de la superficie superior, sino que se desprende y forma remolinos turbulentos en la parte superior del ala. Esto hace que el avión pierda sustentación y empiece a caer, a veces de forma bastante brusca.
Otra cosa que puede ocurrir en un avión es un giro. El Airplane Flying Handbook define un trompo como «una entrada en pérdida agravada que da lugar a lo que se denomina «autorrotación», en la que el avión sigue una trayectoria en sacacorchos hacia abajo.» Esto suele ocurrir en un giro lento cuando el ala interior, más lenta, entra en pérdida y el ala exterior sigue generando sustentación. «Especialmente a baja altitud, la recuperación exitosa del giro puede ser difícil, si no imposible, en muchos aviones», según Scot Campbell, candidato a doctor en Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y Donald Talleur, jefe asistente de instructor de vuelo en el Instituto de Aviación de la Universidad de Illinois, que escriben en «The Aerodynamics of a Spin», para la Asociación de Propietarios y Pilotos de Canadá. Una de las razones es el peligro de entrar en un trompo plano en el que ambas alas y todas las superficies de control se calan, y el avión cae como una semilla de arce.
La aerodinámica de los automóviles
Los automóviles empezaron a utilizar formas de carrocería aerodinámicas al principio de su historia. A medida que los motores se hacían más potentes y los coches se hacían más rápidos, los ingenieros automovilísticos se dieron cuenta de que la resistencia al viento dificultaba considerablemente su velocidad. Los primeros coches que adoptaron una aerodinámica mejorada, o aerodinámica, fueron los coches de carreras y los que intentaban batir el récord de velocidad en tierra.
«Soñadores, ingenieros, corredores y empresarios se vieron atraídos por el potencial de las profundas ganancias que ofrecía la aerodinámica», escribió Paul Niedermeyer, autor de «Automotive History: An Illustrated History Of Automotive Aerodynamics», en el sitio web Curbside Classic. «Los esfuerzos por hacerlo dieron lugar a algunos de los coches más notables jamás fabricados, incluso si desafiaban las suposiciones estéticas de su época».
Respecto a la aerodinámica de un coche de carreras, el Dr. Joe David, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, y conocido como «Mr. Stock Car» de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, dijo: «La mayor parte de la potencia generada por un motor de carreras se la come el aire de alta presión que empuja la parte delantera del coche y el aire de baja presión -un vacío parcial- que arrastra el coche por detrás».
Sin embargo, la resistencia no puede ser la única consideración. Mientras que la elevación es deseable para un avión, puede ser peligrosa para un automóvil. Con el fin de mantener un mejor control para la dirección y el frenado, los coches se diseñan para que el viento ejerza una fuerza descendente a medida que aumenta su velocidad. Sin embargo, el aumento de esta fuerza descendente incrementa la resistencia aerodinámica, lo que a su vez aumenta el consumo de combustible y limita la velocidad, por lo que estas dos fuerzas deben equilibrarse cuidadosamente.
Muchas clases de coches de carreras utilizan alerones móviles para ajustar la fuerza descendente del aire sobre el coche. Al configurar un coche de carreras, también hay que tener en cuenta las turbulencias causadas por otros coches en la pista. Para ello es necesario ajustar los perfiles aerodinámicos del coche para que produzcan una fuerza descendente mayor durante la carrera que la necesaria para la clasificación cuando el coche está solo en la pista. Por eso los tiempos de vuelta durante la clasificación suelen ser mucho más rápidos que durante la carrera.
Muchos de los mismos principios aerodinámicos utilizados en las carreras también se aplican a los coches y camiones normales. Los ingenieros de automoción utilizan simulaciones por ordenador y experimentos en el túnel de viento con modelos a escala y vehículos reales para afinar la aerodinámica de los automóviles, de modo que generen la cantidad óptima de fuerza descendente hacia las ruedas delanteras y traseras con la menor cantidad posible de resistencia.
Recursos adicionales
- Vea una galería de algunos automóviles aerodinámicos realmente interesantes en Curbside Classic’s Illustrated History of Automotive Aerodynamics.
- El sitio web del Smithsonian National Air and Space Museum tiene actividades y proyectos multimedia sobre «Cómo vuelan las cosas.»
- Mide el coeficiente de arrastre de tu coche en un experimento en el sitio web Instructables.
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