en aerodinámica, el arrastre aerodinámico es la fuerza de arrastre de fluido que actúa sobre cualquier cuerpo sólido en movimiento en la dirección del flujo libre de fluido. Desde la perspectiva del cuerpo (enfoque de campo cercano), el arrastre resulta de fuerzas debidas a distribuciones de presión sobre la superficie del cuerpo , simbolizadas D p r {\displaystyle D_{pr}}, y fuerzas debidas a la fricción de la piel, que es un resultado de la viscosidad, denotadas D f {\displaystyle d_{f}} ., Alternativamente, calculada desde la perspectiva de campo de flujo (enfoque de campo lejano), la fuerza de arrastre resulta de tres fenómenos naturales: ondas de choque, lámina de vórtice y viscosidad.
OverviewEdit
la distribución de la presión que actúa sobre la superficie de un cuerpo ejerce fuerzas normales sobre el cuerpo. Esas fuerzas se pueden sumar y el componente de esa fuerza que actúa aguas abajo representa la fuerza de arrastre, D p r {\displaystyle d_{pr}} , debido a la distribución de la presión que actúa sobre el cuerpo., La naturaleza de estas fuerzas normales combina efectos de ondas de choque, efectos de generación de sistemas de vórtices y mecanismos viscosos de estela.
La viscosidad del fluido tiene un efecto importante en el arrastre. En ausencia de viscosidad, las fuerzas de presión que actúan para retardar el vehículo se cancelan por una fuerza de presión más a popa que actúa para empujar el vehículo hacia adelante; esto se llama recuperación de presión y el resultado es que la resistencia es cero. Es decir, el trabajo que el cuerpo hace sobre el flujo de aire, es reversible y se recupera ya que no hay efectos de fricción para convertir la energía del flujo en calor., La recuperación de presión actúa incluso en el caso de flujo viscoso. La viscosidad, sin embargo, resulta en resistencia a la presión y es el componente dominante de resistencia en el caso de vehículos con regiones de flujo separado, en los que la recuperación de presión es bastante ineficaz.
la fuerza de fricción, que es una fuerza tangencial en la superficie de la aeronave, depende sustancialmente de la configuración de la capa límite y la viscosidad. La fricción neta, d f {\displaystyle d_{f}}, Se calcula como la proyección aguas abajo de las fuerzas viscosas evaluadas sobre la superficie del cuerpo.,
la suma del arrastre de fricción y el arrastre de presión (forma) se llama arrastre viscoso. Este componente de arrastre se debe a la viscosidad. En una perspectiva termodinámica, los efectos viscosos representan fenómenos irreversibles y, por lo tanto, crean entropía. El arrastre viscoso calculado D V {\displaystyle d_ {v}} utiliza cambios de entropía para predecir con precisión la fuerza de arrastre.
Cuando el avión produce elevación, otro componente de arrastre resulta., El arrastre inducido, simbolizado D i {\displaystyle d_{i}}, se debe a una modificación de la distribución de presión debido al sistema de vórtice de arrastre que acompaña a la producción de elevación. Una perspectiva alternativa sobre la elevación y la resistencia se obtiene al considerar el cambio de impulso del flujo de aire. El ala intercepta el flujo de aire y obliga al flujo a moverse hacia abajo. Esto resulta en una fuerza igual y opuesta que actúa hacia arriba en el ala que es la fuerza de elevación., El cambio de impulso del flujo de aire hacia abajo resulta en una reducción del impulso hacia atrás del flujo que es el resultado de una fuerza que actúa hacia adelante sobre el flujo de aire y aplicada por el ala al flujo de aire; una fuerza igual pero opuesta actúa sobre el ala hacia atrás que es la resistencia inducida. La resistencia inducida tiende a ser el componente más importante para los aviones durante el vuelo de despegue o aterrizaje. Otro componente de arrastre, a saber, arrastre de onda, D W {\displaystyle d_{w}}, resulta de ondas de choque en velocidades de vuelo transónicas y supersónicas., Las ondas de choque inducen cambios en la capa límite y la distribución de la presión sobre la superficie del cuerpo.
Historiaeditar
la idea de que un cuerpo en movimiento que pasa por el aire u otro fluido encuentra resistencia se conocía desde la época de Aristóteles. El documento de Louis Charles Breguet de 1922 comenzó los esfuerzos para reducir la resistencia mediante la racionalización. Breguet pasó a poner sus ideas en práctica mediante el diseño de varios aviones récord en las décadas de 1920 y 1930. la teoría de la capa límite de Ludwig Prandtl en la década de 1920 proporcionó el impulso para minimizar la fricción de la piel., Sir Melvill Jones, quien proporcionó los conceptos teóricos para demostrar enfáticamente la importancia de la racionalización en el diseño de aviones, hizo otro llamamiento importante para la racionalización. En 1929 su Documento ‘the Streamline Airplane’ presentado a la Royal Aeronautical Society fue seminal. Propuso un avión ideal que tendría una resistencia mínima, lo que llevó a los conceptos de un monoplano «limpio» y un tren de aterrizaje retráctil. El aspecto del artículo de Jones que más sorprendió a los diseñadores de la época fue su trama de la potencia del caballo requerida versus la velocidad, para un plano real y un plano ideal., Al mirar un punto de datos para un avión dado y extrapolarlo horizontalmente a la curva ideal, se puede ver la ganancia de velocidad para la misma potencia. Cuando Jones terminó su presentación, un miembro de la audiencia describió los resultados como del mismo nivel de importancia que el ciclo de Carnot en termodinámica.
Levante-inducida dragEdit
resistencia Inducida vs, lift
el arrastre inducido por elevación (también llamado arrastre inducido) es el arrastre que se produce como resultado de la creación de elevación en un cuerpo de elevación tridimensional, como el ala o el fuselaje de un avión. El arrastre inducido consiste principalmente en dos componentes: arrastre debido a la creación de vórtices finales (arrastre de vórtice); y la presencia de arrastre viscoso adicional (arrastre viscoso inducido por elevación) que no está presente cuando la elevación es cero., Los vórtices de arrastre en el campo de flujo, presentes en la estela de un cuerpo de elevación, derivan de la mezcla turbulenta de aire desde arriba y debajo del cuerpo que fluye en direcciones ligeramente diferentes como consecuencia de la creación de elevación.
con otros parámetros siendo los mismos, como la elevación generada por un cuerpo aumenta, también lo hace la resistencia inducida por la elevación. Esto significa que a medida que el ángulo de ataque del ala aumenta (hasta un máximo llamado ángulo de estancamiento), el coeficiente de elevación también aumenta, y también lo hace la resistencia inducida por elevación., Al inicio de la pérdida, la elevación disminuye abruptamente, al igual que la resistencia inducida por la elevación, pero la resistencia a la presión viscosa, un componente de la resistencia del parásito, aumenta debido a la formación de flujo turbulento sin ataduras en la estela detrás del cuerpo.
arrastre Parasiticoeditar
arrastre parasitario es el arrastre causado por mover un objeto sólido a través de un fluido. El arrastre parásito se compone de múltiples componentes, incluyendo el arrastre de presión viscosa (arrastre de forma) y el arrastre debido a la rugosidad de la superficie (arrastre de fricción de la piel)., Además, la presencia de múltiples cuerpos en relativa proximidad puede incurrir en el llamado arrastre de interferencia, que a veces se describe como un componente del arrastre parasitario.
en aviación, la resistencia inducida tiende a ser mayor a velocidades más bajas porque se requiere un alto ángulo de ataque para mantener la elevación, creando más resistencia. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, el ángulo de ataque se puede reducir y la resistencia inducida disminuye. El arrastre parásito, sin embargo, aumenta porque el fluido fluye más rápidamente alrededor de objetos sobresalientes, lo que aumenta la fricción o el arrastre., A velocidades aún más altas (transónicas), la resistencia de las olas entra en escena. Cada una de estas formas de arrastre cambia en proporción a las otras en función de la velocidad. Por lo tanto, la curva de resistencia general combinada muestra un mínimo a cierta velocidad aérea: un avión que vuela a esta velocidad estará en o cerca de su eficiencia óptima. Los pilotos utilizarán esta velocidad para maximizar la resistencia (consumo mínimo de combustible), o maximizar el rango de Planeo en caso de un fallo del motor.
la curva de Potencia en aviationEdit
La curva de potencia: la resistencia parásita y ascensor resistencia inducida por vs, velocidad del aire
la interacción de la resistencia parásita e inducida frente a la velocidad del aire se puede representar como una curva característica, ilustrada aquí. En aviación, esto se conoce a menudo como la curva de potencia, y es importante para los pilotos porque muestra que, por debajo de una cierta velocidad aérea, mantener la velocidad aérea contraintuitivamente requiere más empuje a medida que disminuye la velocidad, en lugar de menos. Las consecuencias de estar «detrás de la curva» en vuelo son importantes y se enseñan como parte del entrenamiento del piloto., En las velocidades aéreas subsónicas donde la forma de» U » de esta curva es significativa, la resistencia de las olas aún no se ha convertido en un factor, por lo que no se muestra en la curva.
Wave drag in transonic and supersonic flowEdit
variación cualitativa en el factor Cd con número Mach para aviones
en vuelo transónico (números de Mach mayores que aproximadamente 0.8 y menos que aproximadamente 1.4), el arrastre de onda es el resultado de la formación de ondas de choque en el fluido, formadas cuando se crean áreas locales de flujo supersónico (número de Mach mayor que 1.0). En la práctica, el flujo supersónico ocurre en cuerpos que viajan muy por debajo de la velocidad del sonido, ya que la velocidad local del aire aumenta a medida que acelera sobre el cuerpo a velocidades superiores a Mach 1.0., Sin embargo, el flujo supersónico completo sobre el vehículo no se desarrollará hasta mucho más allá de Mach 1.0. Los aviones que vuelan a velocidad transónica a menudo incurren en arrastre de onda a través del curso normal de la operación. En vuelo transónico, el arrastre de onda se conoce comúnmente como arrastre de compresibilidad transónica. El arrastre transónico de compresibilidad aumenta significativamente a medida que la velocidad de vuelo aumenta hacia Mach 1.0, dominando otras formas de arrastre a esas velocidades.
en vuelo supersónico (números de Mach mayores que 1.,0), el arrastre de onda es el resultado de ondas de choque presentes en el fluido y unidas al cuerpo, típicamente ondas de choque oblicuas formadas en los bordes anterior y posterior del cuerpo. En flujos altamente supersónicos, o en cuerpos con ángulos de giro suficientemente grandes, se formarán ondas de choque sueltas o ondas de arco. Además, las áreas locales de flujo transónico detrás de la onda de choque inicial pueden ocurrir a velocidades supersónicas más bajas, y pueden conducir al desarrollo de ondas de choque adicionales más pequeñas presentes en las superficies de otros cuerpos de elevación, similares a las que se encuentran en los flujos transónicos., En los regímenes de flujo supersónico, el arrastre de onda se separa comúnmente en dos componentes, el arrastre de onda supersónico dependiente de la elevación y el arrastre de onda supersónico dependiente del volumen.
la solución de forma cerrada para el arrastre de onda mínimo de un cuerpo de revolución con una longitud fija fue encontrada por Sears y Haack, y se conoce como la distribución Sears-Haack. Del mismo modo, para un volumen fijo, la forma para el arrastre de onda mínimo es la ojiva de Von Karman.
el biplano de Busemann no está, en principio, sujeto a la resistencia de las olas cuando se opera a su velocidad de diseño, pero es incapaz de generar elevación en esta condición.