Arrastre

El arrastre es la fuerza que resiste el movimiento de una aeronave a través del aire. Hay dos tipos básicos: la resistencia parásita y la resistencia inducida. La primera se denomina parásita porque no contribuye en absoluto al vuelo, mientras que la segunda, la resistencia inducida, es el resultado del desarrollo de la sustentación por parte de un perfil aéreo.

La resistencia parásita

La resistencia parásita está compuesta por todas las fuerzas que contribuyen a frenar el movimiento de una aeronave. Como el término parásito implica, es la resistencia que no está asociada a la producción de sustentación. Esto incluye el desplazamiento del aire por parte de la aeronave, la turbulencia generada en la corriente de aire o un obstáculo del aire que se mueve sobre la superficie de la aeronave y el perfil aerodinámico. Hay tres tipos de resistencia parásita: la resistencia por forma, la resistencia por interferencia y la fricción de la piel.

La resistencia por forma

La resistencia por forma es la parte de la resistencia parásita generada por la aeronave debido a su forma y al flujo de aire que la rodea. Algunos ejemplos son los capós de los motores, las antenas y la forma aerodinámica de otros componentes. Cuando el aire tiene que separarse para moverse alrededor de una aeronave en movimiento y sus componentes, finalmente se vuelve a unir después de pasar por el cuerpo. La rapidez y suavidad con la que se vuelve a unir es representativa de la resistencia que crea, que requiere una fuerza adicional para superarla.

Note cómo la placa plana de la figura 5-7 hace que el aire se arremoline alrededor de los bordes hasta que finalmente se vuelve a unir aguas abajo. La resistencia de forma es la más fácil de reducir cuando se diseña un avión. La solución es aerodinamizar tantas partes como sea posible.

Arrastre de interferencia

El arrastre de interferencia proviene de la intersección de corrientes de aire que crea corrientes de remolino, turbulencia o restringe el flujo de aire suave. Por ejemplo, la intersección del ala y el fuselaje en la raíz del ala tiene una resistencia de interferencia significativa. El aire que fluye alrededor del fuselaje choca con el aire que fluye sobre el ala, fusionándose en una corriente de aire diferente de las dos corrientes originales. La mayor resistencia por interferencia se observa cuando dos superficies se encuentran en ángulos perpendiculares. Los carenados se utilizan para reducir esta tendencia. Si un avión de combate lleva dos depósitos alares idénticos, la resistencia global es mayor que la suma de los depósitos individuales porque ambos crean y generan una resistencia de interferencia. Los carenados y la distancia entre las superficies de sustentación y los componentes externos (como las antenas de radar colgadas de las alas) reducen la resistencia por interferencia.

La resistencia de fricción de la piel

La resistencia de fricción de la piel es la resistencia aerodinámica debida al contacto del aire en movimiento con la superficie de un avión. Toda superficie, por muy aparentemente lisa que sea, tiene una superficie áspera y rugosa cuando se observa al microscopio. Las moléculas de aire, que entran en contacto directo con la superficie del ala, son prácticamente inmóviles. Cada capa de moléculas por encima de la superficie se mueve ligeramente más rápido hasta que las moléculas se mueven a la velocidad del aire que se mueve alrededor del avión. Esta velocidad se denomina velocidad de la corriente libre. El área entre el ala y el nivel de velocidad de la corriente libre es tan amplia como un naipe y se denomina capa límite. En la parte superior de la capa límite, las moléculas aumentan su velocidad y se mueven a la misma velocidad que las moléculas fuera de la capa límite. La velocidad real a la que se mueven las moléculas depende de la forma del ala, de la viscosidad (pegajosidad) del aire a través del cual se mueve el ala o el perfil aéreo, y de su compresibilidad (cuánto se puede compactar).

El flujo de aire fuera de la capa límite reacciona a la forma del borde de la capa límite igual que lo haría a la superficie física de un objeto. La capa límite da a cualquier objeto una forma «efectiva» que suele ser ligeramente diferente de la forma física. La capa límite también puede separarse del cuerpo, creando así una forma efectiva muy diferente de la forma física del objeto. Este cambio en la forma física de la capa límite provoca una disminución drástica de la sustentación y un aumento de la resistencia. Cuando esto ocurre, el perfil aéreo se ha estancado.

Para reducir el efecto de la resistencia por fricción de la piel, los diseñadores de aeronaves utilizan remaches enrasados y eliminan cualquier irregularidad que pueda sobresalir de la superficie del ala. Además, un acabado liso y brillante ayuda a la transición del aire a través de la superficie del ala. Dado que la suciedad en una aeronave interrumpe el flujo libre de aire y aumenta la resistencia, mantenga las superficies de la aeronave limpias y enceradas.

La resistencia inducida

El segundo tipo básico de resistencia es la resistencia inducida. Es un hecho físico establecido que ningún sistema que realiza un trabajo en el sentido mecánico puede ser 100 por ciento eficiente. Esto significa que, sea cual sea la naturaleza del sistema, el trabajo necesario se obtiene a costa de cierto trabajo adicional que se disipa o se pierde en el sistema. Cuanto más eficiente sea el sistema, menor será esta pérdida.

En vuelo nivelado, las propiedades aerodinámicas de un ala o de un rotor producen una sustentación necesaria, pero ésta sólo puede obtenerse a expensas de una cierta penalización. Esta penalización se denomina resistencia inducida. La resistencia inducida es inherente siempre que un perfil aéreo produce sustentación y, de hecho, este tipo de resistencia es inseparable de la producción de sustentación. En consecuencia, siempre está presente si se produce sustentación.

Un perfil aerodinámico (ala o pala de rotor) produce la fuerza de sustentación aprovechando la energía de la corriente de aire libre. Siempre que un perfil aéreo produce sustentación, la presión en la superficie inferior del mismo es mayor que la de la superficie superior (Principio de Bernoulli). Como resultado, el aire tiende a fluir desde la zona de alta presión por debajo de la punta hacia la zona de baja presión en la superficie superior. En las proximidades de las puntas, hay una tendencia a que estas presiones se igualen, lo que da lugar a un flujo lateral hacia fuera desde la parte inferior hacia la superficie superior. Este flujo lateral imparte una velocidad de rotación al aire en las puntas, creando vórtices que se arrastran detrás del perfil aéreo.

Cuando el avión se ve desde la cola, estos vórtices circulan en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de la punta derecha y en sentido de las agujas del reloj alrededor de la punta izquierda. A medida que el aire (y los vórtices) ruedan por la parte trasera del ala, forman un ángulo hacia abajo, lo que se conoce como downwash. La figura 5-10 muestra la diferencia entre el downwash en altitud y cerca del suelo. Teniendo en cuenta la dirección de rotación de estos vórtices, se puede ver que inducen un flujo de aire ascendente más allá de la punta y un flujo descendente detrás del borde de fuga del ala. Este flujo descendente inducido no tiene nada en común con el flujo descendente necesario para producir la sustentación. De hecho, es la fuente de la resistencia inducida.

El downwash apunta el viento relativo hacia abajo, así que cuanto más downwash tengas, más apunta tu viento relativo hacia abajo. Esto es importante por una buena razón: la sustentación es siempre perpendicular al viento relativo. En la Figura 5-11, puedes ver que cuando tienes menos downwash, tu vector de sustentación es más vertical, oponiéndose a la gravedad. Y cuando se tiene más corriente descendente, el vector de sustentación apunta más hacia atrás, causando resistencia inducida. Además, se necesita energía para que las alas creen una corriente descendente y vórtices, y esa energía crea resistencia. La diferencia en el downwash en altitud frente a cerca del suelo.

Cuanto mayor sea el tamaño y la fuerza de los vórtices y el consiguiente componente de downwash en el flujo de aire neto sobre el perfil aerodinámico, mayor será el efecto de arrastre inducido. Esta corriente descendente sobre la parte superior del perfil en la punta tiene el mismo efecto que doblar el vector de sustentación hacia atrás; por lo tanto, la sustentación está ligeramente por detrás de la perpendicular al viento relativo, creando un componente de sustentación hacia atrás. Esto es la resistencia inducida.

Para crear una mayor presión negativa en la parte superior de un perfil aéreo, el perfil aéreo puede inclinarse a un AOA más alto. Si el AOA de un perfil aerodinámico simétrico fuera cero, no habría diferencia de presión y, en consecuencia, no habría componente de downwash ni resistencia inducida. En cualquier caso, a medida que aumenta el AOA, la resistencia inducida aumenta proporcionalmente. Para decirlo de otro modo, cuanto menor sea la velocidad del aire, mayor será el AOA necesario para producir una sustentación igual al peso del avión y, por tanto, mayor será la resistencia inducida. La cantidad de resistencia inducida varía inversamente con el cuadrado de la velocidad del aire.

A la inversa, la resistencia parásita aumenta con el cuadrado de la velocidad del aire. Así, en estado estacionario, cuando la velocidad del aire disminuye hasta acercarse a la velocidad de pérdida, la resistencia total es mayor, debido principalmente al fuerte aumento de la resistencia inducida. Del mismo modo, cuando la aeronave alcanza su velocidad de no superación (VNE), la resistencia total aumenta rápidamente debido al fuerte incremento de la resistencia parásita. Como se ve en la figura 5-6, a una velocidad determinada, la resistencia total es mínima. Al calcular la autonomía máxima de la aeronave, el empuje necesario para superar la resistencia es mínimo si la resistencia es mínima. La potencia mínima y la resistencia máxima ocurren en un punto diferente.

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