En dinámica de fluidos , el coeficiente de sustentación ( C L ) es una cantidad adimensional que relaciona la sustentación generada por un cuerpo que se eleva 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 porta láminas, como por ejemplo un avión de ala fija . C L es función del ángulo del cuerpo con respecto al flujo, su número de Reynolds y su número de Mach . El coeficiente de sustentación de la 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 C L está definido por [2] [3]
donde es la fuerza de sustentación , es el área superficial relevante y es la presión fluidodinámica , a su vez ligada 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) siempre está orientado en la dirección de la envergadura, pero mientras que en aerodinámica y teoría de perfiles aerodinámicos delgados, el segundo eje que genera la superficie es comúnmente la dirección de la cuerda:
resultando en un coeficiente:
mientras que para perfiles aerodinámicos gruesos y en dinámica marina, 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 completa de aeronave.
El coeficiente de sustentación también se puede utilizar como una característica de una forma (o sección transversal) particular de un perfil aerodinámico . En esta aplicación se denomina coeficiente de sustentación de la sección . Es común mostrar, para una sección particular del perfil aerodinámico, la relación entre el coeficiente de sustentación de la sección y el ángulo de ataque . [5] También es útil mostrar la relación entre el coeficiente de sustentación de la sección y el coeficiente de arrastre .
El coeficiente de sustentación de la sección se basa en el flujo bidimensional sobre un ala de envergadura infinita y sección transversal no variable, por lo que la sustentación es independiente de los efectos en el sentido de la envergadura y se define en términos de , la fuerza de sustentación por unidad de envergadura del ala. La definición se convierte en
donde L es la longitud de referencia que siempre debe especificarse: en aerodinámica y teoría del perfil aerodinámico normalmente se elige la cuerda del perfil aerodinámico, mientras que en dinámica marina y para puntales normalmente se elige el espesor. Tenga en cuenta que esto es directamente análogo al coeficiente de resistencia ya que la cuerda puede interpretarse como el "área por unidad de tramo".
Para un ángulo de ataque dado, c l se puede calcular aproximadamente utilizando la teoría del perfil aerodinámico delgado , [6] calculado numéricamente o determinado a partir de pruebas en túnel de viento en una pieza de prueba de longitud finita, con placas extremas diseñadas para mejorar los efectos tridimensionales. . Las gráficas de c l versus ángulo de ataque muestran la misma forma general para todos los perfiles , pero los números particulares variarán. Muestran un aumento casi lineal en el coeficiente de sustentación al aumentar el ángulo de ataque con un gradiente conocido como 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 más altos se alcanza un punto máximo, después del cual se reduce el coeficiente de sustentación. El ángulo en el que se produce 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 al aumentar los valores del número de Reynolds; de hecho, a velocidades más altas, 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 túnel de viento realizadas con números de Reynolds más bajos que las condiciones simuladas de la vida real pueden dar una respuesta conservadora que sobreestima los perfiles de pérdida.
Los perfiles aerodinámicos simétricos necesariamente tienen gráficos de c l versus ángulo de ataque simétrico con respecto al eje c l , pero para cualquier perfil aerodinámico con curvatura 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 cl = 0 es negativo. En tales perfiles aerodinámicos con ángulo de ataque cero, las presiones en la superficie superior son menores que en la superficie inferior.
