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Índice
1. Resumen
2
2. Introducción
2
3. Características de los Equipos e Instrumentos
3
4. Descripción del Método e!uido
"
#. $resentación de Datos
%
". Discusión de resultados & Conclusiones
1'
%. (péndice
11
). *i+lio!ra,ía
14
2
1. Resumen En este e-periencia se analia como act/a un cuerpo en un t/nel de 0iento su+sónico e-puesta a una corriente de ,luido aire esta corriente eerce una ,uera de oposición contra el cuerpo que e0itar5 el mo0imiento a menos que este caduque esta ener!ía a esto se llama 6 ,uera de arrastre7. e o+ser0a las características que tiene esta ,uera en di,erentes cuerpos para analiar si el comportamiento de la ,uera es a,ectado por la ,orma 5rea 0olumen o ru!osidad que tiene el o+eto.
2. Introducción Este tipo de e-perimentos son cl5sicos en aerodin5mica en donde se tiene un ,luido que a una cierta 0elocidad c8oca con un o+eto por lo !eneral una es,era & se produce una ,uera de arrastre en la ona donde no 8ace contacto el ,luido con el cuerpo. En esta ona por lo !eneral se produce tur+ulencias & la dirección de la ,uera de arrastre 0a contraria al sentido de la 0elocidad.
9+eti0os
•
:amiliariar al estudiante con el len!uae técnico usado en el que8acer de la
•
aerodin5mica. Conocer la técnica para medir coe,icientes de resistencia aerodin5mica so+re cuerpos
•
sometidos a una corriente de ,luido. Medir coe,icientes aerodin5micos en cuerpos sumer!idos en un ,luo de aire.
3
3. Características de los Equipos e Instrumentos ;/nel de 0iento su+sónico
Imagen 1 – Túnel de viento subsónico
4
Imagen 2 – Balanza mecánica y Medidor de velocidad
=5sta!o =arilla que sostiene los cuerpos sólidos al momento de 8acer pasar el ,luido aire.
Destornillador
#
Cuerpos a ensa&ar 1. Discos de distintos di5metros
2. Cuerpos es,éricos
3. >ota de madera
"
4.
Descripción del Método e!uido
En
primera instancia el pro,esor e-plica las partes que componen el t/nel de 0iento su+sónico & su uso a ni0el mundial. ?a primera demostración de cómo se utilia el t/nel se realia con un o+eto en ,orma de ala de a0ión & se o+ser0an los par5metros en el ta+lero. ?ue!o de realiar la demostración se procede a montar los distintos cuerpos sólidos uno por uno al t/nel de 0iento la ,orma correcta de instalar los cuerpos es la si!uiente@ e a+re la ca+ina de ona de prue+a 8asta el ,inal una 0e a+ierta se instala en el 05sta!o el cuerpo a ensa&ar se le da el aprete necesario con el destornillador se cierra la ca+ina & se prende el interruptor que realia la ,unción de e-pulsar el ,luido aire. ?ue!o se o+ser0a en el ta+lero el 0alor del Dra! & de la 0elocidad. $ara ,inaliar procede a ta+ular los datos o+tenidos este procedimiento se repite en siete oportunidades con los cuerpos mencionados en la sección de Características de los equipos e instrumentos. Ca+e destacar que se utilió el cuerpo llamado >ota de madera en dos posiciones distintas para o+ser0ar la ,uera de arrastre.
%
Imagen 3 – Partes imortantes del túnel de viento subsónico
En la ima!en 3 se muestran las partes importantes del t/nel de 0iento su+sónico siendo estas@ 1. Ca+ina de ona de prue+a 2. =5sta!o 3. Interruptor 4. ;a+lero
#. $resentación de Datos En esta sección se muestran los datos e-perimentales o+tenidos en la e-periencia. ;a+la 1 A Dimensiones & propiedades ;emperatura am+iente Densidad del aire
[
20 ° C
]
1,20 [ Kg / m
3
]
;a+la 2 A :uera de arrastre & 0elocidad U0
D
) Tipo de cuerpo
Donde@
(km/h)
(grf )
)"
2#
)#
)'
)4
21'
)%
%'
)"
2'
)"
2'
)"
3'
B ' =elocidad no pertur+ada o de corriente li+re de ,luido en ilómetros por 8ora D :uera de arrastre en !ramos
;a+la 3 A Resultados Cuerpo Disco Disco Disco Es,era lisa Es,era Ru!osa >ota Madera >ota Madera
D '24# '%)4 2'#) '")" '1B" '1B" '2B4
' 23))B 23"11 23333 241"% 23))B 23))B 23))B
( '''')'4 '''321% '''%23) '''321% '''321% '''23%" '''23%"
CD ')B '%3 ')% '"1 '1) '24 '3"
CD; 11 1.1 1.1 '.2 '.2
Donde@ D :uera de arrastre en FeGton ' =elocidad no pertur+ada o de corriente li+re de ,luido en metros por se!undo ( Hrea pro&ectada del cuerpo en metros cuadrados CD Coe,iciente de arrastre Re F/mero de Re&nolds CD; Coe,iciente de arrastre teórico
1'
". Discusión de resultados & Conclusiones En la ta+la 3 se o+ser0a que a ma&or 5rea aerodin5mica de per,il implica una ma&or ,uera de arrastre en el cuerpo. e o+ser0a que las !eometrías planas tienen una ma&or resistencia a la corriente de aire esto se de+e a que una ,i!ura plana perpendicular a la corriente del ,luo tiene una ma&or ,uera de arrastre se de+e a que el cuerpo se encuentra perpendicular al ,luo lo que pro0oca que el aire que pasa alrededor se pe!ue menos tiempo a la super,icie del disco esto conlle0a a una ma&or separación & la separación causa que la ,uera de arrastre sea ma&or.
e o+ser0a en la ta+la 3 que la es,era ru!osa presenta un menor coe,iciente de arrastre esto se de+e a los a!ueros que la es,era tiene pro0ocan un ,luo m5s tur+ulento con una menor separación por ende el aire se pe!a m5s a la pelota & tendr5 una menor ,uera de resistencia. $ara los cuerpos con ,orma de !ota se desprende de la ta+la 3 que para la parte cónica e-iste una ma&or ,uera de arrastre & coe,iciente de arrastre esto sucede porque en la parte es,érica del cuerpo el ,luo se ape!a m5s a la a lo lar!o de la super,icie por ende e-iste una menor separación lo que implica a una ,uera de arrastre menor.
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%. (péndice (RR(;RE 9*RE CER$9 MER>ID9 ?a relación empírica que permite conocer el es,uero de arrastre so+re un cuerpo sumer!ido e-puesto a una corriente de ,luido es@ D = CD ρ A
Uo2 2
1J
Donde D CD ρ
( o
,uera de arrastre Dra!. coe,iciente de arrastre determinado e-perimentalmente. densidad del ,luido. 5rea ,rontal del cuerpo perpendicular a la corriente '. 0elocidad de la corriente li+re.
?a mec5nica de ,luo so+re un cilindro o es,era se muestra en el si!uiente di+uo.
e!/n el an5lisis dimensional & semeana el coe,iciente de resistencia para una !eometría dada en ,luo estacionario es ,unción de los si!uientes par5metros adimensionales.
12 CD CD α εKd R e M L :
2J
donde@
α εKd
(n!ulo de ataque. (sperea relati0a de la super,icie del cuerpo. Uo x
R e
F/mero de Re&nolds
ν
Uo
M
F/mero de Mac8
k R To
2
ρ Uo
L
F/mero de Le+er
x
σ
Uo
:
F/mero de :roude
;o o
gx
en que
σ
lon!itud característica. C p K C0 constante adia+5tica de un !as. temperatura de la corriente li+re. 0elocidad de la corriente li+re. tensión super,icial.
?a e-periencia muestra que las cantidades rele0antes que a,ectan al coe,iciente de arrastre se pueden reducir a CD
= CD α ,
ε
d
, R e, M÷
3J
En !eneral cuando M '.3 se asume que el ,luo es incompresi+le de modo que@
CD
= CD α ,
ε d
, R e÷
4J
13
?a representación !ra,ica e-perimental de esta e-presión para una es,era es la si!uiente
?a ,uera total que soporta un cuerpo sometido a una corriente de ,luido es@
F
=−
∫ P dA ˆ Ñ
+
∫ τ dA ˆ! Ñ
#J
$ara el caso en que sólo interesa el arrastre en la dirección de la corriente li+re se tiene D
D par5sita N D inducida
D
D p N Di
"J
14 D p
resistencia de ,orma ,ricción del per,il & resistencia por inter,erencias.
Di
resistencia inducida de+ida al 5n!ulo relati0o α
(C
2 "
/ π # e )
(quí la resistencia de ,orma se de+e a la presión super,icial so+re el cuerpo en cam+io la resistencia 0iscosa se de+e al es,uero de corte so+re la super,icie antes seOalada. En resumen la ,uera de arrastre D es una com+inación entre la resistencia de ,orma & la de ,ricción. En !eneral so+re un cuerpo ,uselado se presentan dos ,ueras que son la sustentación ? & la de arrastre D en que el arrastre tiene la misma connotación que el de un cuerpo no ,uselado o no aerodin5mico.
:ueras de sustentación ? & de arrastre D de un per,il alar en 0uelo.
). *i+lio!ra,ía •
>uía de ?a+oratorio EB3" P:uera De (rrastre7 Depto. De In!eniería Mec5nica (C<.
