Resistencia aerodinámica

Se denomina forma aerodinámica, o simplemente resistencia, a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire, y en particular a la componente de esa fuerza en la dirección de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que, de forma análoga a la de fricción, es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire.

De manera más general, para un cuerpo en movimiento en el seno de un fluido cualquiera, tal componente recibe el nombre de resistencia fluidodinámica. En el caso del agua, por ejemplo, se denomina forma hidrodinámica.

Al igual que con otras fuerzas aerodinámicas, se utilizan coeficientes aerodinámicos que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del aire. Su coeficiente asociado es conocido popularmente como coeficiente de penetración, coeficiente de resistencia o coeficiente aerodinámico, siendo esta última denominación especialmente incorrecta ya que existen varias fuerzas aerodinámicas, con sus respectivos coeficientes aerodinámicos, y cada uno de ellos tiene un significado diferente.

La forma en que se estudia la resistencia aerodinámica presenta algunas particularidades según el campo de aplicación.

La resistencia total de un avión en vuelo se puede descomponer en las siguientes:

Se denomina así toda resistencia que no es función de la sustentación. Es la resistencia que se genera por todas las pequeñas partes no aerodinámicas de un objeto. Está compuesta por:

Si se considera un ala de envergadura finita, debido a unos torbellinos que aparecen en los extremos del ala por a la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós, surge la llamada resistencia inducida. Esta resistencia es función de la sustentación y de ahí que sea directamente proporcional al ángulo de ataque, mayor sustentación implica mayor resistencia inducida. Es la resistencia producida como resultado de la producción de sustentación. Altos ángulos de ataque, que producen más sustentación, producen alta resistencia inducida.

Fórmula de la resistencia inducida:

Coeficiente de la resistencia inducida:

La resistencia al avance ${displaystyle Q_{x}}$ del área de superficie del ala de envergadura infinita suele llamarse resistencia del perfil. Como resistencia al avance de cualquier cuerpo la resistencia del perfil puede dividirse en la resistencia pura del perfil y la resistencia inducida:

El coeficiente de resistencia inducida es proporcional al coeficiente de sustentación, para engendrar una gran sustentación, el ala ha de hacer desviar más intensamente el flujo de aire hacia abajo. Al mismo tiempo el ala cumple un gran trabajo y por consiguiente, sufre gran resistencia, su forma más simple de cálculo es:

Por todo lo antes dicho el coeficiente de resistencia inducida quedaría expresado de la siguiente forma:

${displaystyle C_{x,i}=0,18C_{y}^{2}}$

La resistencia pura del perfil está compuesta por diferentes tipos de resistencias entre las que se encuentran la de presión (${displaystyle Q_{x}p}$) y la de fricción (${displaystyle Q_{f}r}$):

${displaystyle displaystyle C_{x,i}=C_{x,fr}+C_{x,p}}$

También existe la resistencia de onda la cual en este caso no existe debido a que ya que el fenómeno ocurre a pequeños números de Mach, la resistencia de presión tiene solo la naturaleza turbulenta.
Ahora bien se necesita calcular el valor de los dos coeficientes de resistencia, el correspondiente a la presión y el correspondiente a la fricción con la superficie del perfil. Para determinar el coeficiente de resistencia debido a la distribución de presiones por la superficie es necesario restablecer la forma constructiva del modelo que se va a fabricar para tener una derivada (ds) determinada, pues hay que separar a lo largo del eje x del cuerpo una sección elemental ${displaystyle ds_{m}ax=dydx}$ normal al eje x. La fuerza de resistencia en esta será igual a:

${displaystyle displaystyle Q_{x,p}=(P_{d}-P_{t})dS_{max }}$

donde:

De la ecuación anterior se puede deducir que la fuerza de resistencia a causa de la distribución de presiones por el perfil será la integral tomada por el área de la sección máxima en la superficie Y o Z.

${displaystyle displaystyle Q_{x,p}=int _{S_{max }}(P_{d}-P_{t})dS_{max }}$

La fórmula de la resistencia aerodinámica total creada por un avión en vuelo es:

${displaystyle D=qSC_{D}=C_{D}{frac {1}{2}} ho v^{2}S}$

donde:

Por lo tanto, la fórmula del coeficiente aerodinámico de resistencia es:

${displaystyle C_{D}={frac {D}{{frac {1}{2}} ho v^{2}S}}}$

Así pues, la resistencia aerodinámica total es la suma de la resistencia parásita y la inducida, por lo que:

${displaystyle C_{D}=C_{D_{ ext{parásita}}}+C_{D_{ m {inducida}}}}$

La fórmula de la resistencia aerodinámica total creada por un automóvil en movimiento es idéntica a la utilizada en aeronáutica.

La utilización del coeficiente es mucho más cómoda que la utilización de fuerzas.

Como la resistencia aerodinámica se refleja en una fuerza que se opone al movimiento y que puede estimarse a partir de los coeficientes anteriores, también existirá un gasto energético adicional necesario para vencer dicha resistencia, que usualmente se cuantifica como una potencia, caso en cual nos resulta de utilidad la siguiente fórmula:

${displaystyle {egin{matrix}{mbox{Potencia}}=&{frac {mbox{Trabajo}}{mbox{Tiempo}}}=&{frac {{mbox{Fuerza}}cdot {mbox{Espacio}}}{mbox{Tiempo}}}=&{mbox{Fuerza}}cdot {mbox{Velocidad}}&\\{mbox{Potencia}}=&{cfrac {delta W}{dt}}=&{cfrac {Fdelta r}{dt}}=&Fcdot V=&{cfrac {1}{2}} ho SC_{x}V^{3}end{matrix}}}$

Por lo tanto, si conocemos los datos aerodinámicos de un cuerpo también podemos calcular la potencia necesaria para desplazarlo por un fluido a cierta velocidad, tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

Sin embargo, no se debe olvidar que esta no es la potencia total necesaria, ya que en la realidad en el desplazamiento propulsado de un coche además de la resistencia aerodinámica existen otras resistencias como por ejemplo la fricción con el suelo, así como pérdidas mecánicas.