En dinámica de fluidos , el coeficiente de sustentación ( C L ) es una cantidad adimensional que relaciona la sustentación generada por un cuerpo sustentador con la densidad del fluido alrededor del cuerpo, la velocidad del fluido y un área de referencia asociada. Un cuerpo sustentador es una lámina o un cuerpo completo que lleva láminas, como un avión de ala fija . C L es una función del ángulo del cuerpo con el flujo, su número de Reynolds y su número de Mach . El coeficiente de sustentación de sección c l se refiere a las características de sustentación dinámica de una sección de lámina bidimensional , con el área de referencia reemplazada por la cuerda de la lámina . [1] [2]
El coeficiente de sustentación CL se define por [2] [3]
donde es la fuerza de sustentación , es el área de superficie relevante y es la presión dinámica del fluido , a su vez vinculada a la densidad del fluido y a la velocidad del flujo . La elección de la superficie de referencia debe especificarse ya que es arbitraria. Por ejemplo, para perfiles cilíndricos (la extrusión 3D de un perfil aerodinámico en la dirección de la envergadura), el primer eje que genera la superficie siempre está en la dirección de la envergadura. En aerodinámica y teoría de perfiles aerodinámicos delgados, el segundo eje está comúnmente en la dirección de la cuerda:
resultando en un coeficiente:
Mientras que en dinámica marina y para perfiles aerodinámicos gruesos, el segundo eje a veces se toma en la dirección del espesor:
resultando en un coeficiente diferente:
La relación entre estos dos coeficientes es la relación de espesor:
El coeficiente de sustentación se puede aproximar utilizando la teoría de la línea de sustentación , [4] calculada numéricamente o medida en una prueba de túnel de viento de una configuración de aeronave completa.
El coeficiente de sustentación también puede utilizarse como una característica de una forma particular (o sección transversal) de un perfil aerodinámico . En esta aplicación se denomina coeficiente de sustentación de sección . Es común mostrar, para una sección particular de perfil aerodinámico, la relación entre el coeficiente de sustentación de sección y el ángulo de ataque . [5] También es útil mostrar la relación entre el coeficiente de sustentación de sección y el coeficiente de arrastre .
El coeficiente de sustentación de la sección se basa en un flujo bidimensional sobre un ala de envergadura infinita y sección transversal invariable, por lo que la sustentación es independiente de los efectos en la envergadura y se define en términos de , la fuerza de sustentación por unidad de envergadura del ala. La definición se convierte en
donde es la longitud de referencia que siempre debe especificarse: en aerodinámica y teoría de perfiles aerodinámicos, generalmente se elige la cuerda del perfil aerodinámico, mientras que en dinámica marina y para puntales, generalmente se elige el espesor. Nótese que esto es directamente análogo al coeficiente de arrastre, ya que la cuerda puede interpretarse como el "área por unidad de envergadura".
Para un ángulo de ataque dado, c l se puede calcular aproximadamente utilizando la teoría del perfil aerodinámico delgado , [6] calculada numéricamente o determinada a partir de pruebas en túnel de viento en una pieza de prueba de longitud finita, con placas terminales diseñadas para mejorar los efectos tridimensionales. Los gráficos de c l versus el ángulo de ataque muestran la misma forma general para todos los perfiles aerodinámicos , pero los números particulares variarán. Muestran un aumento casi lineal en el coeficiente de sustentación con el aumento del ángulo de ataque con un gradiente conocido como la pendiente de sustentación. Para un perfil aerodinámico delgado de cualquier forma, la pendiente de sustentación es π 2 /90 ≃ 0,11 por grado. En ángulos mayores se alcanza un punto máximo, después del cual se reduce el coeficiente de sustentación. El ángulo en el que ocurre el coeficiente de sustentación máximo es el ángulo de pérdida del perfil aerodinámico, que es aproximadamente de 10 a 15 grados en un perfil aerodinámico típico.
El ángulo de pérdida para un perfil dado también aumenta con valores crecientes del número de Reynolds; a velocidades más altas, de hecho, el flujo tiende a permanecer adherido al perfil durante más tiempo, retrasando la condición de pérdida. [7] [8] Por esta razón, a veces las pruebas en túneles de viento realizadas con números de Reynolds más bajos que la condición real simulada pueden dar una retroalimentación conservadora que sobreestima la pérdida de los perfiles.
Los perfiles aerodinámicos simétricos tienen necesariamente gráficos de c l en función del ángulo de ataque simétricos respecto del eje c l , pero para cualquier perfil aerodinámico con comba positiva , es decir, asimétrico, convexo desde arriba, todavía hay un coeficiente de sustentación pequeño pero positivo con ángulos de ataque menores que cero. Es decir, el ángulo en el que c l = 0 es negativo. En dichos perfiles aerodinámicos con un ángulo de ataque cero, las presiones en la superficie superior son menores que en la superficie inferior.
