Arrastre parásito

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Curva de arrastre para un cuerpo en vuelo sustentado constante

El arrastre parásito (también denominado arrastre parasitario) es una de las componentes de la resistencia al avance que actúa sobre un objeto cuando este se mueve a través de un fluido. En el caso del gas que compone la atmósfera, el fenómeno es estudiado por la aerodinámica. El arrastre parasitario es una combinación del arrastre de forma y el arrastre por fricción superficial.[1]​ No genera ningún efecto de sustentación en el objeto (indispensable para la dinámica del vuelo), de ahí el nombre de parasitario.

Los otros tres componentes del arrastre total, la resistencia inducida, el arrastre de onda y el arrastre de ariete, son tipos de arrastre independientes del arrastre parásito.

Descripción[editar]

En la mecánica del vuelo, la resistencia inducida resulta de la fuerza de sustentación que debe producirse para que una aeronave pueda mantener un vuelo nivelado. La resistencia inducida es mayor a velocidades más bajas, donde se requiere un ángulo de ataque alto. A medida que aumenta la velocidad, el arrastre inducido disminuye, pero el arrastre parásito aumenta porque el fluido golpea el objeto con mayor fuerza y se mueve a través de las superficies del objeto a mayor velocidad. A medida que la velocidad continúa aumentando en los regímenes de velocidad transónica y de velocidad supersónica, el arrastre de onda gana en importancia. Cada uno de estos componentes de arrastre cambia en proporción a los demás según la velocidad. Por lo tanto, la curva de resistencia total combinada muestra un mínimo a cierta velocidad; un avión que vuele a esta velocidad estará cerca de su eficiencia óptima. Los pilotos utilizarán esta velocidad para maximizar el alcance del planeo en caso de un fallo del motor. Sin embargo, para maximizar la resistencia al planeo (hundimiento mínimo), la velocidad de la aeronave debería estar en el punto de potencia de arrastre mínima, que se produce a velocidades más bajas que la resistencia mínima.

En el punto de arrastre mínimo, CD,o (coeficiente de arrastre de la aeronave cuando la sustentación es igual a cero) es igual a CD,i (coeficiente de arrastre inducido o coeficiente de arrastre creado por la sustentación). En el punto de potencia mínima, CD,o es igual a un tercio de CD,i. Esto se puede probar a patir de las siguientes ecuaciones:

donde:

; es la presión dinámica (siendo la densidad del fluido, y la velocidad del flujo)

y

donde

siendo

el alargamiento de la aeronave.

Arrastre de forma[editar]

El arrastre de forma o arrastre de presión surge debido a la forma del objeto. El tamaño y la forma general del cuerpo son los factores más importantes en la resistencia de la forma; los cuerpos con una sección transversal en la dirección del avance más grande tendrán un arrastre más alto que los cuerpos de menor sección; los objetos de formas suaves ("aerodinámicos") por lo general tienen un arrastre de forma más bajo. Según la ecuación de arrastre, la resistencia al avance crece con el cuadrado de la velocidad, y por lo tanto, se convierte en un factor crucial en los aviones de alta velocidad.

El arrastre de forma depende de la sección longitudinal del cuerpo. Una elección adecuada del perfil de un fuselaje es esencial para obtener un coeficiente de arrastre bajo. Las líneas de corriente deben ser continuas, debiendo evitarse la separación de la capa límite y la consiguiente formación de vórtices.

Arrastre por fricción superficial[editar]

El "arrastre por fricción superficial" surge del rozamiento entre el fluido y la superficie del objeto que se mueve a través de él. Está directamente relacionada con la superficie mojada (concepto utilizado también en hidráulica), el área de la superficie del cuerpo que está en contacto con el líquido. El aire en contacto con un cuerpo se adherirá a su superficie y esa capa tenderá a adherirse a la siguiente capa de aire y, a su vez, a otras capas, por lo que el cuerpo arrastrará una cierta cantidad de aire. La fuerza necesaria para arrastrar la capa de aire "adherida" al cuerpo se denomina arrastre por fricción de la superficie, e implica que se imprime un cierto impulso a una masa de aire a medida que la atraviesa, ejerciendo una fuerza retardadora sobre el cuerpo. Al igual que con otros componentes de la resistencia parásita, la fricción superficial coincide con la ecuación de arrastre, y aumenta con el cuadrado de la velocidad.

La fricción superficial es causada por el efecto de la viscosidad del fluido en la capa límite formada alrededor del objeto. La capa límite en la parte frontal del objeto suele ser laminar y relativamente delgada, pero se vuelve turbulenta y más gruesa hacia la parte posterior. La posición del punto de transición del flujo laminar al turbulento depende de la forma del objeto. Hay dos formas de reducir la fricción: la primera es dar forma al cuerpo en movimiento para que sea posible mantener el flujo laminar. El segundo método consiste en aumentar la longitud y disminuir la sección transversal del objeto en movimiento tanto como sea posible. Para hacerlo, un diseñador puede considerar la relación de finura, que es la longitud de la aeronave dividida por su diámetro en el punto más ancho (L/D). Este valor se mantiene habitualmente en 6:1 para flujos subsónicos. El aumento de la longitud aumenta el número de Reynolds. Con el número de Reynolds en el denominador de la relación del coeficiente de fricción superficial, a medida que aumenta su valor (en régimen laminar), se reduce el arrastre de fricción total. A su vez, la disminución del área de la sección transversal reduce la fuerza de arrastre sobre el cuerpo, ya que la perturbación en el flujo de aire es menor. Para las alas de un avión, una disminución en la longitud (cuerda) de las alas reducirá la resistencia "inducida", si no la resistencia por fricción.

El coeficiente de fricción superficial, , se define por

donde es la tensión cortante local, y es la presión dinámica de flujo libre.[2]​ Para capas límite sin un gradiente de presión en la dirección x, está relacionado con el espesor del momento como

A modo de comparación, la relación empírica que describe el efecto de la turbulencia conocida como la «Ley de la séptima potencia» (descubierta por Theodore von Kármán) es:

donde es el número de Reynolds.[3]

Para un flujo laminar sobre una placa, el coeficiente de fricción superficial se puede determinar utilizando la siguiente fórmula:[4]

Arrastre del perfil[editar]

El arrastre del perfil es un término que generalmente se aplica al arrastre parásito que actúa sobre un ala. Con un ala bidimensional no hay arrastre inducido por la sustentación, por lo que todo el arrastre es arrastre del perfil. Con un ala tridimensional, la resistencia total menos la resistencia inducida por la sustentación es la resistencia del perfil.[5]​ Se define como la suma de la resistencia de la forma y la fricción de la superficie.[6]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Clancy, L.J. (1975). Aerodynamics, Sub-section 5.9. Pitman Publishing. ISBN 0 273 01120 0
  2. «Skin friction coefficient -- CFD-Wiki, the free CFD reference». www.cfd-online.com. Consultado el 22 April 2018. 
  3. Introduction to Flight, John Anderson Jr., 7th edition
  4. tec-science (31 de mayo de 2020). «Drag coefficient (friction and pressure drag)». tec-science (en inglés estadounidense). Consultado el 25 de junio de 2020. 
  5. Anderson, John D. (1984). Fundamentals of Aerodynamics, p.192, 233. McGraw-Hill Book Company ISBN 0-07-001656-9
  6. «Profile drag definition and meaning - Collins English Dictionary». www.collinsdictionary.com. Consultado el 22 April 2018.