Arrastrar (física)

En dinámica de fluidos, el arrastre, a veces denominado resistencia del fluido, es una fuerza que actúa en sentido opuesto al movimiento relativo de cualquier objeto, que se mueve con respecto al fluido circundante. . Esto puede existir entre dos capas de fluido, dos superficies sólidas o entre una superficie de fluido y sólida. Las fuerzas de arrastre tienden a disminuir la velocidad del fluido en relación con el objeto sólido en el camino del fluido.

A diferencia de otras fuerzas resistivas, la fuerza de arrastre depende de la velocidad. Esto se debe a que la fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad del flujo de baja velocidad y a la velocidad al cuadrado del flujo de alta velocidad. Esta distinción entre flujo de baja y alta velocidad se mide mediante el número de Reynolds.

Ejemplos

Ejemplos de arrastre incluyen:

• Fuerza aerodinámica o hidrodinámica neta: Arrastre actuando frente a la dirección de movimiento de un objeto sólido como automóviles, aviones y cascos de barco.
• Arrastre viscoso de líquido en una tubería: La fuerza de arrastre en la tubería inmóvil disminuye la velocidad del líquido relativa a la tubería.

• En la física de los deportes, la fuerza de arrastre es necesaria para explicar el movimiento de bolas, javelins, flechas y frisbees y el rendimiento de corredores y nadadores.

Tipos

Forma y flujo	Formulario Arrastre	Skin fricción
	■0%	■100%
	■10%	■90%
	■90%	■10%
	■100%	■0%

Los tipos de arrastre generalmente se dividen en las siguientes categorías:

• arrastre de forma o presión debido al tamaño y la forma de un cuerpo
• arrastre de fricción de la piel o arrastre viscoso debido a la fricción entre el fluido y una superficie que puede ser el exterior de un objeto, o dentro como el agujero de una tubería

El efecto de la racionalización sobre las proporciones relativas de fricción superficial y resistencia de la forma se muestra para dos secciones de cuerpo diferentes: un perfil aerodinámico, que es un cuerpo aerodinámico, y un cilindro, que es un cuerpo aerodinámico. También se muestra una placa plana que ilustra el efecto que tiene la orientación en las proporciones relativas de fricción de la piel y la diferencia de presión entre el frente y la espalda.

Un cuerpo se conoce como farol o romo cuando la fuente de arrastre está dominada por fuerzas de presión, y aerodinámico si el arrastre está dominado por fuerzas viscosas. Por ejemplo, los vehículos de carretera son carrocerías rugosas. Para las aeronaves, la presión y la fricción se incluyen en la definición de resistencia parásita. El arrastre parásito a menudo se expresa en términos hipotéticos.

Arrastre parásito experimentado por aviones

Esta es el área de una placa plana perpendicular al flujo. Se utiliza al comparar la resistencia de diferentes aviones. Por ejemplo, el Douglas DC-3 tiene una superficie equivalente de 23,7 pies cuadrados y el McDonnell Douglas DC-9, con 30 años de avances en el diseño de aviones, una superficie de 20,6 pies cuadrados aunque transportaba cinco veces más pasajeros.

• arrastre inducido por ascensor aparece con alas o un cuerpo elevador en aviación y con cascos semiplanificados o planificadores para embarcaciones
• arrastre de onda (aerodinámica) es causado por la presencia de ondas de choque y aparece primero a velocidades de aeronaves subsónicas cuando las velocidades de flujo locales se vuelven supersónicas. El arrastre de onda del prototipo supersónico de Concorde fue reducido en Mach 2 por 1,8% aplicando la regla de área que extendió el fuselaje trasero 3.73m en el avión de producción.
• resistencia a onda ( hidrodinámica de naves) o arrastre de onda se produce cuando un objeto sólido se mueve a lo largo de un límite fluido y hace ondas superficiales
• El arrastre de cola de barco en un avión es causado por el ángulo con el que el fuselaje trasero, o la quilla del motor, se estrecha al diámetro del escape del motor.

• 
  Concorde con 'alta' cola de arrastrar onda
• 
  Concorde con la cola de arrastrar onda 'low' (N.B. retro fuselage spike)
• 
  Aviones Hawk que muestran el área base sobre el escape del motor circular

Arrastre inducido por elevación y arrastre parásito

Arrastre inducido por elevación

Arrastre inducido por elevación (también llamado arrastre inducido) es un arrastre que se produce como resultado de la creación de sustentación en un cuerpo de elevación tridimensional, como el Ala o hélice de un avión. El arrastre inducido consta principalmente de dos componentes: arrastre debido a la creación de vórtices de arrastre (arrastre de vórtice); y la presencia de resistencia viscosa adicional (resistencia viscosa inducida por la sustentación) que no está presente cuando la sustentación es cero. Los vórtices que se arrastran en el campo de flujo, presentes tras un cuerpo que se eleva, se derivan de la mezcla turbulenta de aire desde arriba y desde abajo del cuerpo que fluye en direcciones ligeramente diferentes como consecuencia de la creación de sustentación.

Si los demás parámetros permanecen iguales, a medida que aumenta la sustentación generada por un cuerpo, también aumenta la resistencia inducida por la sustentación. Esto significa que a medida que aumenta el ángulo de ataque del ala (hasta un máximo llamado ángulo de pérdida), el coeficiente de sustentación también aumenta, al igual que la resistencia inducida por la sustentación. Al inicio de la pérdida, la sustentación disminuye abruptamente, al igual que la resistencia inducida por la sustentación, pero la resistencia por presión viscosa, un componente de la resistencia parásita, aumenta debido a la formación de un flujo turbulento y suelto en la estela detrás del cuerpo.

Arrastre parásito

arrastre parásito, o arrastre de perfil, es un arrastre causado al mover un objeto sólido a través de un fluido. El arrastre parásito se compone de múltiples componentes, incluido el arrastre por presión viscosa (arrastre de forma) y el arrastre debido a la rugosidad de la superficie (arrastre por fricción de la piel). Además, la presencia de múltiples cuerpos en relativa proximidad puede provocar el llamado arrastre de interferencia, que a veces se describe como un componente del arrastre parásito.

En la aviación, la resistencia inducida tiende a ser mayor a velocidades más bajas porque se requiere un ángulo de ataque alto para mantener la sustentación, lo que genera más resistencia. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, se puede reducir el ángulo de ataque y disminuir la resistencia inducida. Sin embargo, la resistencia parásita aumenta porque el fluido fluye más rápidamente alrededor de los objetos que sobresalen, lo que aumenta la fricción o la resistencia. A velocidades aún más altas (transónicas), la resistencia de las ondas entra en escena. Cada una de estas formas de resistencia cambia en proporción a las demás según la velocidad. Por lo tanto, la curva de resistencia general combinada muestra un mínimo a cierta velocidad del aire: un avión que vuele a esta velocidad estará en su eficiencia óptima o cerca de ella. Los pilotos utilizarán esta velocidad para maximizar la resistencia (consumo mínimo de combustible) o maximizar el rango de planeo en caso de falla del motor.

La ecuación de arrastre

La resistencia depende de las propiedades del fluido y del tamaño, forma y velocidad del objeto. Una forma de expresar esto es mediante la ecuación de arrastre:

$${\displaystyle ¿Por qué?$$

• ${\displaystyle F_{D}$ es Fuerza arrastrada,
• ${\displaystyle \rho }$ es la densidad del fluido,
• ${\displaystyle v}$ es la velocidad del objeto relativo al fluido,
• ${\displaystyle A}$ es el área transversal, y
• ${\displaystyle C_{D}$ es el coeficiente de arrastre – un número sin dimensión.

El coeficiente de arrastre depende de la forma del objeto y del número de Reynolds

$${\displaystyle R_{e}={\frac {vD}{\nu }={\frac {\rho vD} {\mu }}} {\fnK}$$

• ${\displaystyle D}$ es algún diámetro característico o dimensión lineal. En realidad, ${\displaystyle D}$ es el diámetro equivalente ${\displaystyle D_{e}$ del objeto. Para una esfera, ${\displaystyle D_{e}$ es la D de la esfera misma.
• Para una sección transversal de forma rectangular en la dirección de movimiento, ${\displaystyle D_{e}=1.30\cdot {\frac\cdot b)^{0.625}{(a+b)^{0.25}}}$, donde a y b son los bordes del rectángulo.
• ${\displaystyle {\nu}}$ es la viscosidad cinemática del fluido (igual a la viscosidad dinámica ${\displaystyle {\mu}}$ dividida por la densidad ${\displaystyle {\rho }$).

Abajo ${\displaystyle R_{e}$, ${\displaystyle C_{D}$ es asintóticamente proporcional a ${\displaystyle R_{e} {-1}$, lo que significa que el arrastre es linealmente proporcional a la velocidad, es decir, la fuerza de arrastre en una pequeña esfera que se mueve a través de un fluido viscoso es dada por la Ley de Stokes:

$${\displaystyle F_{\rm}=3\pi \mu Dv.$$

${\displaystyle R_{e}$

${\displaystyle C_{D}$

${\displaystyle C_{D}$

${\displaystyle R_{e}$

Se puede demostrar que la fuerza de arrastre se puede expresar como una función de un número adimensional, que es dimensionalmente idéntico al número de Bejan. En consecuencia, la fuerza de arrastre y el coeficiente de arrastre pueden ser función del número de Bejan. De hecho, de la expresión de la fuerza de arrastre se ha obtenido:

$${\displaystyle F_{\rm {d}=\Delta ¿Qué? {1}{2}C_{D}A_{f}{\frac} {\f} {\f}} {\f}} {\f} {\f} {\f}} {\f}} {\f} {\f}}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}}} {\f}}}} {\f}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}} {\f}}}} {\f}}}}}} {\f}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}} {\f} {\f}}}}}}}}} {\f}}}}}} {\f} {\f}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\f}}}}}}}}}} {\nu \mu ¿Qué?$$

${\displaystyle C_{D}$

${\displaystyle A_{w}$

${\displaystyle A_{f}$

$${\displaystyle C_{D}=2{\frac {\f} {\f} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}} {\f}}} {\f}}} {\f}}} {\f}} {\f}} {\f}}} {\f}}} {\f}}} {\f}}}} {\f}\f}}}}}}} {\f} {\f}}} {\f}\f}}}}}\f}}}}\f}}}}}} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f}}}}}\f}}}}}}}}}}}}}}}}} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f} {\f}} {\f} {\f}\f}\f}}\f}\f}\f}\f}\f}\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {} {} {}}} {}}} {}}} {}}}}} {}}} {}}}}} {}}}}}} {}}} {}}}}}}}} {}}}}} {}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$$

${\displaystyle Re_{L}$

A alta velocidad

Como se mencionó, la ecuación de resistencia con un coeficiente de resistencia constante le da a la fuerza que se mueve a través del fluido una velocidad relativamente grande, es decir, un número de Reynolds alto, Re > ~1000. Esto también se llama arrastre cuadrático.

$${\displaystyle ¿Por qué?$$

El área de referencia A es a menudo la proyección ortográfica del objeto, o el área frontal en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. Para objetos con una forma simple, como una esfera, esta es el área de la sección transversal. A veces un cuerpo es un compuesto de diferentes partes, cada una con un área de referencia diferente (se debe determinar el coeficiente de resistencia correspondiente a cada una de esas áreas diferentes).

En el caso de un ala, las áreas de referencia son las mismas y la fuerza de arrastre está en la misma proporción que la fuerza de sustentación. Por lo tanto, la referencia para un ala suele ser el área de elevación, a veces denominada "área del ala" en lugar de la zona frontal.

Para un objeto con una superficie lisa y puntos de separación no fijos (como una esfera o un cilindro circular), el coeficiente de resistencia puede variar con el número de Reynolds R_e , hasta valores extremadamente altos (R_e del orden 10⁷).

Para un objeto con puntos de separación fijos bien definidos, como un disco circular con su plano normal a la dirección del flujo, el coeficiente de arrastre es constante para R_e > ; 3.500. Cuanto más el coeficiente de resistencia C_d es, en general, función de la orientación del flujo con respecto al objeto (a excepción de objetos simétricos como una esfera).

Poder

Bajo el supuesto de que el fluido no se mueve en relación con el sistema de referencia utilizado actualmente, la potencia necesaria para superar la resistencia aerodinámica viene dada por:

$${\displaystyle P_{d}=Mathbf {\fnh}\cdot \mathbf {v}={\tfrac {1}{2}\rho ¿Qué?$$

Cuando el fluido se mueve en relación con el sistema de referencia, por ejemplo, un automóvil que circula con viento en contra, la potencia requerida para superar la resistencia aerodinámica viene dada por la siguiente fórmula:

$${\displaystyle P_{d}=Mathbf {F}\cdot \mathbf {v_{o} ={\tfrac {1} {2}C_{d}A\rho (v_{w}+v_{o}}{2}v_{o}}$$

Donde ${\displaystyle ¿Qué?$ es la velocidad del viento y ${\displaystyle v_{o}$ es la velocidad del objeto (tanto relativa al suelo).

Velocidad de un objeto que cae

Velocidad en función del tiempo para un objeto que cae a través de un medio no denso y se libera a una velocidad relativa cero v = 0 en el momento t = 0, está dado aproximadamente por una función que involucra una tangente hiperbólica (tanh):

$${\displaystyle v(t)={\sqrt {2mg} {\rho AC_{d}}\tanh \left(t{\sqrt {\frac {\g\rho ¿Sí?$$

La tangente hiperbólica tiene un valor límite de uno, para un tiempo grande t. En otras palabras, la velocidad se acerca asintóticamente a un valor máximo llamado velocidad terminal < i>v_t:

$${\displaystyle {\fnK} {\fnMicroc {2mg}{\rho - Sí.$$

Para un objeto que cae y se suelta a velocidad relativa v = v_i en el momento t = 0, con v< sub>i < v_t, también se define en términos de la función tangente hiperbólica:

$${\displaystyle v(t)=v_{t}\tanh \left(t{\frac) {g}{v_{t}}+\operatorname {arctanh} \left({\frac} Bien.$$

Para v_i > v_t, la función de velocidad se define en términos de la función cotangente hiperbólica:

$${\displaystyle v(t)=v_{t}\coth \left(t{\frac) {\fnK}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\c}\cH00}\cH00}\cH0}\cH00}\c}\cH00}\c}\cH00}\cH0}\cH00}\cH00}\cH0}\cH0}\cH00}}\cH00}\cH}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}}\cH00}\c}\cH}\cH00}\cH00}\cH00}\c}\cH00}\cH00}\cH00}\cH00}}\cH00}\cH00}\cH00}\cH}\cH00}}\cH00}\c}\c}\cH Bien.$$

La cotangente hiperbólica también tiene un valor límite de uno, para un tiempo t largo. La velocidad tiende asintóticamente a la velocidad terminal v_t, estrictamente desde arriba v_t.

Para v_i = v_t, la velocidad es constante:

$${\displaystyle v(t)=v_{t}$$

Estas funciones se definen por la solución de la siguiente ecuación diferencial:

$${\displaystyle g-{\frac} ¿Qué? {dv} {dt}}.$$

O, más genéricamente (donde F()v) son las fuerzas que actúan en el objeto más allá de arrastrar):

$${\displaystyle {\frac {}{m}\sum F(v)-{\frac {\rho ¿Qué? {dv} {dt}}.$$

Para un objeto con forma de papa de diámetro promedio d y de densidad ρ_obj, la velocidad terminal es aproximadamente

$${\displaystyle {\fnK}= {\fnMicroc} {\rho _{obj}{\rho - Sí.$$

Para objetos de densidad similar al agua (gotas de lluvia, granizo, objetos vivos (mamíferos, pájaros, insectos, etc.) que caen en el aire cerca de la superficie de la Tierra al nivel del mar, la velocidad terminal es aproximadamente igual a con < i>d en metros y v_t en m/s.

$${\displaystyle v_{t}=90{\sqrt {d},\,}$$

${\displaystyle d}$

${\displaystyle V_{t}$

${\displaystyle d}$

${\displaystyle V_{t}$

${\displaystyle d}$

${\displaystyle V_{t}$

${\displaystyle d}$

${\displaystyle V_{t}$

En resumen, la velocidad terminal es mayor para las criaturas más grandes y, por lo tanto, potencialmente más mortal. Una criatura como un ratón que cae a su velocidad terminal tiene muchas más probabilidades de sobrevivir al impacto con el suelo que un humano que cae a su velocidad terminal.

Números bajos de Reynolds: Stokes' arrastrar

La ecuación para resistencia viscosa o arrastre lineal es apropiada para objetos o partículas que se mueven a través de un fluido a velocidades relativamente lentas (asumiendo que no hay turbulencia). Según esta definición, el flujo puramente laminar sólo existe hasta Re = 0,1. En este caso, la fuerza de arrastre es aproximadamente proporcional a la velocidad. La ecuación para la resistencia viscosa es:

$${\displaystyle \mathbf {F} _{d}=-b\mathbf {v} \,}$$

donde:

• ${\displaystyle b}$ es una constante que depende tanto de las propiedades materiales del objeto y del fluido, como de la geometría del objeto; y
• ${\displaystyle \mathbf {v}$ es la velocidad del objeto.

Cuando un objeto cae desde el reposo, su velocidad será

$${\displaystyle v(t)={\frac {\rho -\rho _{0}\,V\,g}{b}\left(1-e^{-b\,t/m}\right)}$$

• ${\displaystyle \rho }$ es la densidad del objeto,
• ${\displaystyle \rho _{0}$ es densidad del fluido,
• ${\displaystyle V}$ es el volumen del objeto,
• ${\displaystyle g}$ es la aceleración debido a la gravedad (es decir, 9,8 m/s${\displaystyle ^{2}$), y
• ${\displaystyle m}$ es masa del objeto.

La velocidad se aproxima asintóticamente a la velocidad terminal ${\displaystyle ¿Qué?$. Para un dado ${\displaystyle b}$, objetos densos caen más rápido.

Para el caso especial de pequeños objetos esféricos que se mueven lentamente a través de un fluido viscoso (y por lo tanto en el pequeño número de Reynolds), George Gabriel Stokes obtuvo una expresión para la constante de arrastre:

$${\displaystyle b=6\pi \eta r\,}$$

${\displaystyle r}$

${\displaystyle \eta }$

La expresión resultante para el arrastre se conoce como expresión de Stokes. arrastrar:

$${\displaystyle \mathbf {F} _{d}=-6\pi \eta r\,\mathbf {v}$$

Por ejemplo, considere una pequeña esfera con radio ${\displaystyle r}$ = 0,5 micrometros (diametro = 1,0 μm) moviéndose a través del agua a una velocidad ${\displaystyle v}$ de 10 m/s. Usando 10⁻³ Pa·s como la viscosidad dinámica del agua en unidades SI, encontramos una fuerza de arrastre de 0.09 pN. Se trata de la fuerza de arrastre que experimenta una bacteria mientras nada a través del agua.

El coeficiente de arrastre de una esfera se puede determinar para el caso general de un flujo laminar con números Reynolds menos que ${\displaystyle 12\cdot 10^{5}$ usando la siguiente fórmula:

$${\displaystyle C_{D}={\frac {24}{Re}+{\frac} {4}{\sqrt [Re]}+0.4~{\text{}~~~~Re made2\cdot 10^{5}$$

Para Reynolds números inferiores a 1 ley de Stokes aplica y el coeficiente de arrastre se acerca ${\displaystyle {\frac {24}{Re}}$!

Aerodinámica

En aerodinámica, la resistencia aerodinámica, también conocida como resistencia del aire, es la fuerza de arrastre del fluido que actúa sobre cualquier cuerpo sólido en movimiento en la dirección del aire. s flujo libre.

• Desde la perspectiva del cuerpo (aproximación al campo), la arrastre resulta de fuerzas debido a distribuciones de presión sobre la superficie del cuerpo, simbolizadas ${\displaystyle D_{pr}$.
• Fuerzas debido a la fricción de la piel, que es el resultado de la viscosidad, denotada ${\displaystyle D_{f}$.

Alternativamente, calculada desde la perspectiva del campo de flujo (enfoque de campo lejano), la fuerza de arrastre resulta de tres fenómenos naturales: ondas de choque, lámina de vórtice y viscosidad.

Descripción general de la aerodinámica

Cuando el avión produce ascensor, otro componente de arrastrar resulta. Arrastre inducido, simbolizado ${\displaystyle D_{i}$, se debe a una modificación de la distribución de presión debido al sistema de vórtice que acompaña la producción de ascensor. Se obtiene una perspectiva alternativa sobre la elevación y la arrastre, considerando 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 actuando hacia arriba en el ala que es la fuerza de elevación. El cambio de impulso de la corriente de aire hacia abajo da lugar a una reducción del impulso de retaguardia del flujo que es el resultado de una fuerza que actúa hacia adelante en el flujo de aire y aplicada por el ala al flujo de aire; una fuerza igual pero opuesta actúa en la retaguardia del ala que es la arrastre inducida. Otro componente de arrastre, a saber, la arrastre de onda, ${\displaystyle D_{w}$, resultados de ondas de choque en velocidades de vuelo transónicas y supersónicas. Las ondas de choque inducen cambios en la capa fronteriza y la distribución de presión sobre la superficie del cuerpo.

Por lo tanto, hay tres formas de categorizar el arrastre.

1. Arrastre de presión y fricción
2. Arrastre de perfil y arrastre inducido
3. Arrastre Vortex, arrastre de onda y arrastre de vela

Información adicional sobre aerodinámica

La distribución de presión actuando en la superficie del cuerpo ejercitos fuerzas normales en el cuerpo. Esas fuerzas pueden añadirse juntas y el componente de esa fuerza que actúa aguas abajo representa la fuerza de arrastre, ${\displaystyle D_{pr}$. La naturaleza de estas fuerzas normales combina efectos de onda de choque, efectos de generación de sistemas de vórtice, y despertar mecanismos viscosos.

La viscosidad del fluido tiene un efecto importante sobre la resistencia. En ausencia de viscosidad, las fuerzas de presión que actúan para obstaculizar el vehículo son canceladas por una fuerza de presión más hacia atrás 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 realiza el cuerpo sobre el flujo de aire es reversible y se recupera al no existir efectos de fricción para convertir la energía del flujo en calor. La recuperación de presión actúa incluso en el caso de flujo viscoso. Sin embargo, la viscosidad da como resultado una resistencia a la presión y es el componente dominante de la resistencia en el caso de vehículos con regiones de flujo separado, en los que la recuperación de la presión es infectiva.

La fuerza de arrastre de fricción, que es una fuerza tangencial en la superficie de la aeronave, depende sustancialmente de la configuración y viscosidad de la capa fronteriza. El arrastre de fricción neta, ${\displaystyle D_{f}$, se calcula como la proyección aguas abajo de las fuerzas viscosas evaluadas sobre la superficie del cuerpo. La suma de fricción arrastrar y presionar (form) arrastrar se llama arrastre viscoso. Este componente de arrastre se debe a la viscosidad.

Historia

La idea de que un cuerpo en movimiento que pasa a través del aire u otro fluido encuentra resistencia se conoce desde la época de Aristóteles. Según Mervyn O'Gorman, esto se denominó "arrastre" por Archibald Reith Low. El artículo de Louis Charles Breguet de 1922 inició esfuerzos para reducir la resistencia mediante la racionalización. Breguet puso sus ideas en práctica diseñando varios aviones que batieron récords 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 hizo otro importante llamado a la racionalización, quien proporcionó los conceptos teóricos para demostrar enfáticamente la importancia de la racionalización en el diseño de aeronaves. En 1929, su artículo "The Streamline Airplane" presentado a la Royal Aeronautical Society fue fundamental. Propuso un avión ideal que tuviera una resistencia mínima, lo que llevó a los conceptos de un avión "limpio". Tren de aterrizaje monoplano y retráctil. El aspecto del artículo de Jones que más sorprendió a los diseñadores de la época fue su diagrama de la potencia requerida versus la velocidad, para un avión real y uno ideal. Al observar un punto de datos de una aeronave determinada 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.

Curva de potencia en la aviación

La interacción de la resistencia parásita e inducida vs. la velocidad del aire se puede representar como una curva característica, ilustrada aquí. En aviación, esto a menudo se conoce como curva de potencia y es importante para los pilotos porque muestra que, por debajo de cierta velocidad, mantener la velocidad requiere más empuje como velocidad. disminuye, en lugar de disminuir. Las consecuencias de estar "detrás de la curva" en vuelo son importantes y se enseñan como parte de la formación de pilotos. A las velocidades subsónicas donde la "U" La forma de esta curva es significativa, la resistencia de las olas aún no se ha convertido en un factor y, por lo tanto, no se muestra en la curva.

Arrastre de ondas en flujo transónico y supersónico

La resistencia de las ondas, a veces denominada resistencia de compresibilidad, es la resistencia que se crea cuando un cuerpo se mueve en un fluido compresible y a una velocidad cercana a la velocidad del sonido en ese fluido. En aerodinámica, la resistencia de las olas consta de múltiples componentes según el régimen de velocidad del vuelo.

En el vuelo transónico, la resistencia de las ondas es el resultado de la formación de ondas de choque en el fluido, que se forman cuando se crean áreas locales de flujo supersónico (número de Mach superior a 1,0). En la práctica, el flujo supersónico se produce 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 total sobre el vehículo no se desarrollará hasta mucho más allá de Mach 1,0. Las aeronaves que vuelan a velocidad transónica a menudo sufren arrastre por ondas durante el curso normal de operación. En vuelo transónico, la resistencia de las ondas se conoce comúnmente como arrastre de compresibilidad transónica. La resistencia a la compresibilidad transónica aumenta significativamente a medida que la velocidad de vuelo aumenta hacia Mach 1,0, dominando otras formas de resistencia a esas velocidades.

En vuelos supersónicos (números de Mach superiores a 1,0), la arrastre de ondas es el resultado de ondas de choque presentes en el fluido y adheridas al cuerpo, típicamente ondas de choque oblicuas formadas en los bordes delantero y trasero del cuerpo. En flujos altamente supersónicos o en cuerpos con ángulos de giro suficientemente grandes, se forman ondas de choque independientes u 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 y más pequeñas presentes en las superficies de otros cuerpos sustentadores, similares a las que se encuentran en los flujos transónicos. En los regímenes de flujo supersónico, la resistencia de las ondas se suele separar en dos componentes, la resistencia de las ondas supersónica dependiente de la sustentación y la resistencia de las ondas supersónica dependiente del volumen.

Sears y Haack encontraron la solución en forma cerrada para la resistencia mínima de onda de un cuerpo de revolución con una longitud fija, y se conoce como Distribución Sears-Haack. De manera similar, para un volumen fijo, la forma para la resistencia mínima de la onda es la Ojiva de Von Karman.

El concepto teórico del biplano Busemann no está sujeto a la resistencia de las olas cuando se opera a su velocidad de diseño, pero es incapaz de generar sustentación en esta condición.

La paradoja de D'Alembert

En 1752, d'Alembert demostró que el flujo potencial, la teoría de flujo no viscoso más avanzada del siglo XVIII, susceptible de soluciones matemáticas, daba como resultado la predicción de resistencia cero. Esto contradecía la evidencia experimental y se conoció como la paradoja de D'Alembert. En el siglo XIX, Saint-Venant, Navier y Stokes desarrollaron las ecuaciones de Navier-Stokes para la descripción del flujo viscoso. Stokes derivó la resistencia alrededor de una esfera con números de Reynolds muy bajos, cuyo resultado se denomina resistencia de Stokes. ley.

En el límite de números de Reynolds altos, las ecuaciones de Navier-Stokes se aproximan a las ecuaciones no viscosas de Euler, de las cuales las soluciones de flujo potencial consideradas por d'Alembert son soluciones. Sin embargo, todos los experimentos con números de Reynolds altos mostraron que hay resistencia. Los intentos de construir soluciones de flujo estacionario no viscosas para las ecuaciones de Euler, distintas de las soluciones de flujo potencial, no dieron resultados realistas.

La noción de capas límite, introducida por Prandtl en 1904, basada tanto en teoría como en experimentos, explicaba las causas del arrastre con números de Reynolds elevados. La capa límite es la capa delgada de fluido cerca del límite del objeto, donde los efectos viscosos siguen siendo importantes incluso cuando la viscosidad es muy pequeña (o equivalentemente, el número de Reynolds es muy grande).