Una lámina es un objeto sólido con una forma tal que, cuando se coloca en un fluido en movimiento con un ángulo de ataque adecuado, la sustentación (fuerza generada perpendicularmente al flujo del fluido) es sustancialmente mayor que la resistencia (fuerza generada paralelamente al flujo del fluido). Si el fluido es un gas , la lámina se denomina perfil aerodinámico o perfil aerodinámico, y si el fluido es agua, la lámina se denomina hidroplano .
Una lámina genera sustentación principalmente debido a su forma y ángulo de ataque . Cuando se orienta en un ángulo adecuado, la lámina desvía el fluido que se aproxima, lo que resulta en una fuerza sobre la lámina en la dirección opuesta a la de la desviación. Esta fuerza se puede descomponer en dos componentes: sustentación y resistencia . Este "giro" del fluido en las proximidades de la lámina crea líneas de corriente curvas que dan como resultado una presión menor en un lado y una presión mayor en el otro. Esta diferencia de presión está acompañada por una diferencia de velocidad, a través del principio de Bernoulli , por lo que para las láminas que generan sustentación, el campo de flujo resultante alrededor de la lámina tiene una velocidad promedio mayor en una superficie que en la otra. [1] [2] [3] [4]
Una descripción más detallada del campo de flujo se da mediante las ecuaciones simplificadas de Navier-Stokes , aplicables cuando el fluido es incompresible . Y dado que los efectos de la compresibilidad del aire a bajas velocidades son despreciables, estas ecuaciones simplificadas se pueden utilizar para perfiles aerodinámicos siempre que el flujo de aire sea sustancialmente menor que la velocidad del sonido (hasta aproximadamente Mach 0,3). [5] [6] Para hidroplanos a altas velocidades, del orden de 50 nudos (26 m/s) según Faltinsen, [7] puede producirse cavitación y ventilación (con aire que penetra a lo largo del puntal desde la superficie del agua hasta el perfil). Ambos efectos pueden tener una influencia sustancial en la sustentación del perfil.
El tipo más simple de lámina es una placa plana. Cuando se coloca en un ángulo (el ángulo de ataque ) con respecto al flujo, la placa desviará el fluido que pasa por encima y por debajo de ella, y esta desviación dará como resultado una fuerza de sustentación en la placa. Sin embargo, si bien genera sustentación, también genera una gran cantidad de resistencia. [8]
Dado que incluso una placa plana puede generar sustentación, un factor importante en el diseño de láminas es la minimización de la resistencia. Un ejemplo de esto es el timón de un barco o una aeronave. Al diseñar un timón, un factor de diseño clave es la minimización de la resistencia en su posición neutra, que se equilibra con la necesidad de producir suficiente sustentación con la que girar la embarcación a una velocidad razonable. [9]
Otros tipos de perfiles, tanto naturales como artificiales, que se ven tanto en el aire como en el agua, tienen características que retrasan o controlan el inicio de la resistencia inducida por la sustentación , la separación del flujo y la pérdida (ver Vuelo de pájaro , Aleta , Perfil aerodinámico , Escala placoide , Tubérculo , Generador de vórtices , Canard (acoplado cerrado), Flap soplado , Ranura del borde de ataque , Slats del borde de ataque ), así como vórtices de punta de ala (ver Winglet ).
El peso que puede levantar una lámina es proporcional a su coeficiente de sustentación, la densidad del fluido, el área de la lámina y su velocidad al cuadrado. A continuación se muestra la capacidad de sustentación de una placa plana con una envergadura de 10 metros y un área de 10 metros cuadrados que se mueve a una velocidad de 10 m/s a diferentes altitudes y profundidades de agua. Se utiliza la sustentación a una altitud de 11 km como referencia para mostrar cómo la sustentación aumenta con la disminución de la altitud (aumento de la densidad del aire). También se muestra la influencia del efecto suelo y luego el efecto del aumento de la densidad al pasar del aire al agua. [10]
Altura 11 km: elevación 1,0 (dato comparativo) 5 m 3,4 en efecto suelo 4.1planeamiento de la superficie del agua 1.280Recién sumergido 1.420Profundidad 5 m 2.840 10 kilómetros 2.860