Existen dos tipos de capa límite: la capa límite laminar y la capa límite turbulenta. La segunda es ligeramente más gruesa que la primera, y como el fluido se mueve en todas direcciones, disipa mayor energía, por lo que la fuerza de fricción derivada de ella es mayor. sí que, en principio, a un avión le interesa que su capa límite sea siempre laminar. !in embargo, el que una capa límite sea laminar o turbulenta depende del tama"o del avión. #ualquier avión convencional tiene un tama"o que obliga a que la capa límite sea turbulenta, y, en realidad, los $nicos aviones aviones que son lo suficientemente suficientemente peque"os peque"os como para volar en condiciones de flu%o laminar son los de aeromodelismo.
!in !in emba embarg rgo, o, una una capa capa lími límite te turbulenta tiene una venta%a muy impo import rtan ante te fren frente te a una una capa capa límite laminar. El flu%o laminar va perdien perdiendo do veloci velocidad dad a lo largo largo de la capa capa lími límitte, &ast &asta a que que fina finalm lmen ente te se para para o incl inclus uso o retroc retroced ede, e, provo provoca cand ndo o que que la capa límite se desprenda y el flu%o ya no siga la forma de la superficie. Este efecto es especi especialm alment ente e per%ud per%udici icial al en el ala de un avión, ya que la sustentación depende de que el flu%o siga la forma del perfil del ala. El desprendimiento de la capa límite de las alas es lo que ocurre cuando se dice que el avión ' entra en p(rdida), p(rdida), es decir, de%a de sustentar y cae como una piedra, y si el piloto no es capaz de &acer que la capa límite vuelva a ad&erirse al ala, el avión se estrellará *algo que seguramente no le &ará ninguna gracia al piloto+. na capa límite turbulenta, en cambio, &ace que parte de la energía cin(tica de la zona exterior *ya sab(is, la que es aproximadamente el -- de /+ se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el despr despren endi dimi mient ento o tard tarda a muc& muc&o o más más en ocurr ocurrir ir,, y el avió avión n es muc& muc&o o meno menoss propenso a entrar en p(rdida. demás, cuando la capa límite se desprende, la
sección efectiva del ob%eto aumenta muc&o porque el fluido no sigue su forma, de modo que la resistencia tambi(n es muc&o mayor. #uanto menor sea el desprendimiento, menor será dic&a sección efectiva, y por tanto menor será la resistencia *el aire tendrá que desviarse menos para rodear el obstáculo+. sí que se da la parado%a de que, con una capa límite turbulenta, muc&as veces se consigue reducir bastante la resistencia aerodinámica al retrasar el desprendimiento, a pesar de que en principio parece que no debería ser así. Es debido a esto que las pelotas de golf tienen agu%eros y las de tenis son peludas.
Los aviones tambi(n están llenos de inventos para que la capa límite sea de la forma más conveniente en cada zona. 0uizá lo que más llame la atención a la vista sean los generadores de torbellinos, esa especie de peque"os salientes que tienen en algunos sitios de las alas o el fusela%e, y que producen un peque"o torbellino que energiza la capa límite para evitar el desprendimiento.
En los motores ba%o las alas suele &aber unos generadores de torbellinos más grandes, para &acer que el aire, tras recorrer el carenado del motor, llegue al ala con la energía suficiente como para que alcance el borde de salida de la misma sin desprenderse.
!in embargo, tambi(n interesa que parte de la capa límite sobre el ala sea laminar, para disminuir la resistencia, siempre y cuando no exista riesgo de desprendimiento. 1or eso, si os fi%áis, la mayoría de los aviones comerciales llevan los bordes de ataque de las alas, la cola e incluso los motores sin pintar. El metal pulido es muc&o menos rugoso que la pintura, y ayuda a que la capa límite sea laminar. 2tros m(todos para conseguir el mismo ob%etivo se basan en manipular la velocidad de la zona interior de la capa límite, succionando el aire más lento o inyectando aire a mayor velocidad, aunque son sistemas difíciles de construir en la mayoría de los casos, y se utilizan poco. lgunos dispositivos &ipersustentadores *flaps y slats+ ponen en contacto las capas límite del intradós y el extradós mediante ranuras, persiguiendo un ob%etivo parecido. En cualquier caso, lo crucial en lo que se refiere a la capa límite del ala de un avión es situar la transición de laminar a turbulenta en el punto óptimo, de forma que se pueda prolongar la capa límite laminar todo lo posible, transformándola en turbulenta en el momento en que tenga tendencia a desprenderse. sí se consigue una resistencia aerodinámica mínima y buen comportamiento en velocidades próximas a la velocidad de p(rdida.
E3 3 #4L43562 Este e%emplo proporciona varios tipos de observación, macroscópicamente no se nota ning$n cambio en la velocidad del fluido en el punto 7 pero si por alg$n medio alcanzamos una observación microscópica en la configuración del punto , se nota que la capa del fluido adyacente al cilindro se ad&iere *Esta ad&erencia es explicada por el teorema de ad&erencia de !to8es+ al mismo por su velocidad y por lo tanto la velocidad del fluido en este punto es cero. Esta velocidad vuelve a aumentar rápidamente &asta pasar una película de fluido muy fina, que es denominada capa de frontera o límite, por lo cual la velocidad /t o tangencial al cilindro, es la que corresponde a las líneas de corriente del fluido en este punto. 3L94#;E3E: Ecuación de 3e*dv?dy+ La viscosidad del aire y del agua es muy peque"a de donde *dv?dy+ debe ser muy grande, es decir, todo el aumento de velocidad tiene lugar en una película de fluido muy fina. 1or lo tanto el esfuerzo cortante y la resistencia generada en esta capa son muy grandes. Esta resistencia es denominada resistencia de superficie. EN EL PERFIL DE UNA ALA
#on un esquema seme%ante al e%emplo anterior, macroscópicamente v es la velocidad del fluido en el punto , pero realmente es cero. ;icroscópicamente se tienen unas distribuciones de velocidad para el punto o capa límite. En (sta la curva a representa el fluido ideal, la b el fluido con viscosidad muy ba%a y la distribución de velocidades es logarítmica, la c los efectos de la viscosidad y la distribución de velocidad es parabólica. La curva d difiere de la a en una película muy fina en el punto , es decir, en una vecindad de radio del orden de cent(simas de mm alrededor del punto . El aire y el agua representan curvas de este tipo y la película se denomina capa límite. CANALES DE AGUA
#uando el agua entra a un canal, la distribución de velocidades a trav(s de la sección del canal, debido a la presencia de la rugosidad límite, variará con la distancia sobre la cual el agua via%a en el canal. !i el flu%o es estable y si el canal es prismático y de rugosidad constante, la distribución de velocidad eventualmente alcanza una forma definida y la distancia desde la entrada al canal a la cual se produce tal situación es lo que se conoce como longitud de desarrollo. lgunas consideraciones simplificadoras a tener en cuenta en el momento de las mediciones experimentales llevadas a cabo en el laboratorio, son las siguientes :
*@+ el flu%o que entra al canal es laminar y de distribución uniforme de velocidades7 *A+ ninguna restricción existe a la entrada que pudiera causar disturbio abrupto de la superficie del agua y de la distribución de velocidad7 *B+ la profundidad del flu%o es grande, así que la profundidad del flu%o se puede considerar constante cuando el flu%o entra al canal.
#oncentr(monos a&ora en la figura C.D, fuera de la superficie # la distribución de la velocidad es prácticamente uniforme. !i la superficie del canal es relativamente lisa, la velocidad cerca de la superficie del agua es ba%a, entonces, una capa estable y muy delgada de flu%o conocido como la subcapa laminar será desarrollada sobre la superficie. 5entro de la subcapa laminar el flu%o es laminar. La superficie superior de la subcapa laminar corresponde a la zona transicional de laminar a turbulento y por tanto no puede definirse precisamente. !i las condiciones para flu%o uniforme existen a trav(s del canal, la capa límite turbulenta se desarrollará totalmente en la sección #57 de a&í en adelante la distribución de velocidades tendrá un comportamiento definido. En un canal de laboratorio, la capa límite laminar puede eliminarse fácilmente colocando un elemento rugoso a la entrada. sí, la capa límite turbulenta se desarrollará en el inicio del canal, y la longitud total de la zona para el desarrollo completo de la capa límite puede reducirse. El flu%o en canales ordinarios es usualmente turbulento. #uando el perfil de la superficie de un canal se &a agrandado se puede notar que tal superficie está compuesta de picos y valles irregulares. La altura efectiva de las irregularidades que forman los elementos de rugosidad se conoce como altura de rugosidad 8s. La rugosidad relativa para un canal es la cantidad 8s ? 6, con 6, como antes, el radio &idráulico. !i la altura de rugosidad es menor que una cierta fracción del espesor de la subcapa laminar, las irregularidades de la superficie serán tan peque"as que todos los elementos de rugosidad estarán enteramente sumergidos dentro de la subcapa laminar y la superficie se dice que es &idráulicamente lisa. !c&lic&ting da la
condición siguiente para que una superficie sea considerada &idráulicamente lisa: 8> s F G C o 8 s G CF > y si los elementos de rugosidad son mayores tendrán la magnitud suficiente y angulosidad para extender sus efectos más allá de la subcapa laminar y así distorsionar el flu%o en el canal. !e dice entonces que la superficie es rugosa, y en tal caso una subcapa laminar no será estable lo que lleva a que (sta no se pueda formar más. ;orris, @-CC, supuso que la p(rdida de energía en flu%o turbulento sobre una superficie rugosa se debe principalmente a la formación de ondas detrás de cada elemento rugoso. La densidad de tales fuentes de vorticidad en la dirección del flu%o determinará, en una gran extensión, el carácter de la turbulencia y los fenómenos de disipación de la energía en el flu%o. 5e este modo, el espacio longitudinal He de los elementos rugosos es la dimensión asociada a la rugosidad de mayor importancia en flu%os de conductos rugosos. a%o este concepto, el flu%o sobre superficies rugosas se puede clasificar dentro de tres tipos básicos: flu%o de rugosidades aisladas que prevalece cuando los elementos de rugosidad están tan ale%ados que la onda y el vórtice generados por cada elemento se &an desarrollado y disipado completamente antes de que se alcance el próximo elemento7 flu%o de interferencias de ondas que resulta cuando los elementos de rugosidad están colocados tan cerca que la onda y el vórtice en cada elemento interferirá con aquellos desarrollados en el elemento siguiente, resultando en una vorticidad intensa y comple%a y una turbulencia mezclada, esto es precisamente el fenómeno observado en el laboratorio cuando se utilizaron clavos o cilindros de madera verticales en las dos llanuras de inundación del canal. En tal flu%o, la altura del elemento es poco significativa, pero el espaciado y la profundidad de flu%o son de mayor importancia, así que la relación * z ? He+ será predominante, ver #&o<, @-IA7 y flu%o casi liso que ocurre cuando los elementos de rugosidad están tan %untos que el flu%o esencialmente se desliza sobre las crestas de los elementos. AUTOS DE CARRERA
La importancia de la aerodinámica &a sido reconocida a trav(s de gran parte de la &istoria de las competías de autos de carreras. 5esde los comienzos de la carrera 4ndianapolis CJJ *4ndy CJJ+, los coc&es ya eran construidos con los cuerpos aerodinámicos. !in embargo, la tecnología del motor, la suspensión, y los neumáticos era más importante en aquella (poca. La aerodinámica del automóvil no fue estudiada detenidamente sino &asta principios de la d(cada de @-KJ. La reducción de la resistencia del aire sigue siendo importante, pero un nuevo concepto *idea+ &a tomado prioridad: la producción de una fuerza aerodinámica
dirigida &acia aba%o *sustentación negativa+, que es considerada más importante que la reducción de la resistencia. 5esde el principio de las competencias de autos de carreras, los coc&es se &an vuelto más y más rápidos. principios de la d(cada de @-KJ, la velocidad ya &abía alcanzado un nivel peligroso. 1ara disminuir la velocidad y aumentar la seguridad, se decretaron algunas reglas para limitar la potencia del motor y talla de los neumáticos. 1uesto que la resistencia del aire producida por el ve&ículo y los neumáticos ya &abía sido reducida, los dise"adores necesitaban encontrar alguna otra cosa que les diera a sus coc&es una venta%a sobre los demás. &ora, la mayoría de los automóviles producen sustentación. #onforme la velocidad aumenta, la fuerza de sustentación aumenta y el coc&e se vuelve inestable. El coc&e debe poder permanecer en la pista y dar vuelta casi constantemente. 1ara contrarrestar el problema de la sustentación, los autos de carreras modernos están dise"ados para producir sustentación negativa. Esto significa que al auto se le agregan algunos dispositivos que causan que el coc&e presione contra el suelo y se mantenga más cerca de (l. Estos dispositivos neutralizan la sustentación producida por el coc&e o crean de &ec&o sustentación negativa. ay varios m(todos que se utilizan para reducir la sustentación o para crear fuerza &acia aba%o. Estos m(todos incluyen interceptores aerodinámicos *spoilers+ y efectos de tierra. El tipo de dispositivo utilizado depende de la clase de competencia y de las restricciones *reglas+ que &ayan sido impuestas. Los dispositivos disponibles más simples son un tipo de presas de aire delanteras e interceptores aerodinámicos traseros. Estos dispositivos tienen realmente varios efectos positivos. l reducir el flu%o del aire por deba%o del ve&ículo, una presa de aire delantera reduce la resistencia del automóvil. demás, inmediatamente detrás de la presa de aire, la presión tambi(n se reduce, lo cual ayuda a que el radiador reciba un flu%o de aire fresco. l mismo tiempo, la sustentación se reduce en la parte de enfrente del coc&e. El interceptor aerodinámico trasero puede reducir la separación del flu%o en la ventana posterior, lo cual reduce la resistencia del aire. ambi(n &ace que aumente el flu%o del aire por deba%o del auto, lo cual promueve la generación de una fuerza &acia aba%o en la parte posterior del coc&e. !e utilizan alas reales en los autos de carreras de Mórmula no, 4ndy, y Nrupo #. !in embargo, las alas se invierten *se colocan con la parte de arriba &acia aba%o+ para producir una fuerza &acia aba%o en lugar de sustentación &acia arriba. l instalar las alas cerca del suelo, se pueden producir cantidades más grandes de esta fuerza que apunta &acia aba%o. Esto se debe al aumento de la velocidad del flu%o entre la ala y el suelo. El aumento en la velocidad del flu%o causa que la
presión en la superficie inferior del ala disminuya, y que, por consiguiente, la fuerza &acia aba%o aumente. BARCOS DE VELA
unque el vuelo &a sido un logro reciente para los &umanos, el viento ya era utilizado para el transporte desde &ace muc&o tiempo. 3o se sabe exactamente cuándo se inventó la vela, pero un grabado encontrado en una vasi%a egipcia de &ace CJJJ a"os muestra claramente un barco de vela. #uatro maneras de desplazarse por el agua *sin incluir el nado+ son: la flotación, el remo, la navegación y el via%e en lanc&a con motor. El primer recorrido en el agua se logró simplemente flotando. En la actualidad a$n podemos observar el uso continuo de los m(todos antiguos. La gente tamil de !ri Lan8a simplemente se coloca un tronco deba%o del brazo para flotar. En 3ueva Oelandia los ;aoríes amarran mano%os de carrizos para formar una balsa. La gente de !ind, 1aquistán via%a flotando dentro de unas ollas, mientras que algunos iraquíes utilizan pieles de cabra llenas de aire. 5urante alg$n tiempo, el equipo estándar de un soldado romano incluía una piel inflable para cruzar los ríos. lgunas de estas ideas fueron combinadas para crear aparatos flotantes más grandes. !e construyeron plataformas de carrizo que flotaban con pieles infladas lo suficientemente grandes para transportar elefantes a los lugares de batalla. ldeas enteras se transportaban de un lugar a otro en un solo barco. na vez a flote, los seres &umanos tuvieran que encontrar la manera de via%ar contra la corriente del agua. El uso de palos para empu%ar a lo largo del fondo de los ríos, o el batir las manos o paletas de madera eran algunos de los m(todos usados. ;ás tarde, se utilizaron remos que se movían al unísono *todos al mismo tiempo+. $n así, resultaba más sencillo via%ar con la corriente. 6egresar río arriba por tierra no era más rápido, pero le a&orraba muc&a energía a la gente.
La invención de la vela fue una muestra de cómo los seres &umanos podían usar la fuerza de la naturaleza *el viento+ para mover sus embarcaciones, en vez de &acer uso solamente de la fuerza &umana. La vela fue probablemente utilizada por primera vez en un barco navegando en el río 3ilo &ace más de CJJJ a"os. En un dibu%o de ese tiempo aparece una simple vela cuadrada su%eta a un palo cerca del frente de un barco. 4ncluso este primitivo *simple+ dise"o debió &aber funcionado, y nuevos dise"os aparecieron en los próximos cientos de a"os. acia el a"o ADJJ .#. la vela &abía llegado a tomar una forma oblonga *que es más larga que anc&a, como un rectángulo+, y podía ser vista en mástiles *postes+ muy altos. El propósito era recoger los vientos que corrían por el 3ilo sobre los acantilados. En el resto del ;editerráneo la vela era ba%a y cuadrada. Este tipo de vela era más fácil de manipular, y los egipcios más tarde cambiaron sus velas por la vela cuadrada ba%a. Los apare%os y cuerdas que constituyen los medios de soporte y control tambi(n fueron desarrollados durante este tiempo. Esto permitió levantar o ba%ar la vela cada vez que fuera necesario.
