La aerodinámica ( griego antiguo : ἀήρ aero (aire) + griego antiguo : δυναμική (dinámica)) es el estudio del movimiento del aire , particularmente cuando se ve afectado por un objeto sólido , como el ala de un avión . [1] Implica temas cubiertos en el campo de la dinámica de fluidos y su subcampo de dinámica de gases , y es un dominio de estudio importante en aeronáutica . El término aerodinámica a menudo se usa como sinónimo de dinámica de gases, con la diferencia de que "dinámica de gases" se aplica al estudio del movimiento de todos los gases y no se limita al aire. El estudio formal de la aerodinámica comenzó en el sentido moderno en el siglo XVIII, aunque las observaciones de conceptos fundamentales como la resistencia aerodinámica se registraron mucho antes. La mayoría de los primeros esfuerzos en aerodinámica se dirigieron a lograr un vuelo más pesado que el aire , lo que fue demostrado por primera vez por Otto Lilienthal en 1891. [2] Desde entonces, el uso de la aerodinámica a través del análisis matemático , aproximaciones empíricas, experimentación en túneles de viento y simulaciones por computadora ha formado una base racional para el desarrollo del vuelo más pesado que el aire y una serie de otras tecnologías. El trabajo reciente en aerodinámica se ha centrado en cuestiones relacionadas con el flujo compresible , la turbulencia y las capas límite y se ha vuelto cada vez más de naturaleza computacional .
La aerodinámica moderna sólo se remonta al siglo XVII, pero las fuerzas aerodinámicas han sido aprovechadas por los seres humanos durante miles de años en veleros y molinos de viento, [3] y las imágenes e historias de vuelo aparecen a lo largo de la historia registrada, [4] como la antigua leyenda griega de Ícaro y Dédalo . [5] Los conceptos fundamentales de continuo , resistencia y gradientes de presión aparecen en el trabajo de Aristóteles y Arquímedes . [6]
En 1726, Sir Isaac Newton se convirtió en la primera persona en desarrollar una teoría de la resistencia del aire, [7] convirtiéndolo en uno de los primeros aerodinámicos. El matemático holandés - suizo Daniel Bernoulli siguió en 1738 con Hydrodynamica en la que describió una relación fundamental entre la presión, la densidad y la velocidad del flujo para el flujo incompresible conocido hoy como el principio de Bernoulli , que proporciona un método para calcular la sustentación aerodinámica. [8] En 1757, Leonhard Euler publicó las ecuaciones de Euler más generales que podrían aplicarse tanto a flujos compresibles como incompresibles. Las ecuaciones de Euler se ampliaron para incorporar los efectos de la viscosidad en la primera mitad del siglo XIX, lo que resultó en las ecuaciones de Navier-Stokes . [9] [10] Las ecuaciones de Navier-Stokes son las ecuaciones de gobierno más generales del flujo de fluidos, pero son difíciles de resolver para el flujo alrededor de todas las formas, excepto las más simples.
En 1799, Sir George Cayley se convirtió en la primera persona en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo ( peso , sustentación , resistencia y empuje ), así como las relaciones entre ellas, [11] [12] y al hacerlo delineó el camino hacia la consecución de vuelos más pesados que el aire para el próximo siglo. En 1871, Francis Herbert Wenham construyó el primer túnel de viento , lo que permitió mediciones precisas de las fuerzas aerodinámicas. Las teorías de resistencia fueron desarrolladas por Jean le Rond d'Alembert , [13] Gustav Kirchhoff , [14] y Lord Rayleigh . [15] En 1889, Charles Renard , un ingeniero aeronáutico francés, se convirtió en la primera persona en predecir razonablemente la potencia necesaria para un vuelo sostenido. [16] Otto Lilienthal , la primera persona en tener mucho éxito con los vuelos en planeador, también fue el primero en proponer perfiles aerodinámicos delgados y curvados que producirían alta sustentación y baja resistencia. Basándose en estos avances y en las investigaciones realizadas en su propio túnel de viento, los hermanos Wright volaron el primer avión con motor el 17 de diciembre de 1903.
Durante la época de los primeros vuelos, Frederick W. Lanchester , [17] Martin Kutta y Nikolai Zhukovsky crearon de forma independiente teorías que conectaban la circulación de un flujo de fluido con la sustentación. Kutta y Zhukovsky desarrollaron una teoría de alas bidimensionales. Ampliando el trabajo de Lanchester, a Ludwig Prandtl se le atribuye el desarrollo de las matemáticas [18] detrás de las teorías de perfiles aerodinámicos delgados y líneas de sustentación, así como el trabajo con capas límite .
A medida que la velocidad de las aeronaves aumentó, los diseñadores comenzaron a encontrar desafíos asociados con la compresibilidad del aire a velocidades cercanas a la velocidad del sonido. Las diferencias en el flujo de aire bajo tales condiciones conducen a problemas en el control de la aeronave, mayor resistencia debido a las ondas de choque y la amenaza de falla estructural debido al aleteo aeroelástico . La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido se denominó número de Mach en honor a Ernst Mach, quien fue uno de los primeros en investigar las propiedades del flujo supersónico . Macquorn Rankine y Pierre Henri Hugoniot desarrollaron de forma independiente la teoría de las propiedades del flujo antes y después de una onda de choque , mientras que Jakob Ackeret dirigió el trabajo inicial de cálculo de la sustentación y la resistencia de los perfiles aerodinámicos supersónicos. [19] Theodore von Kármán y Hugh Latimer Dryden introdujeron el término transónico para describir las velocidades de flujo entre el número crítico de Mach y Mach 1, donde la resistencia aumenta rápidamente. Este rápido aumento de la resistencia llevó a los aerodinámicos y aviadores a discrepar sobre si el vuelo supersónico era alcanzable hasta que se rompió la barrera del sonido en 1947 con el avión Bell X-1 .
Cuando se rompió la barrera del sonido, la comprensión de los aerodinamistas sobre el flujo subsónico y supersónico bajo ya había madurado. La Guerra Fría impulsó el diseño de una línea de aviones de alto rendimiento en constante evolución. La dinámica de fluidos computacional comenzó como un esfuerzo para resolver las propiedades del flujo alrededor de objetos complejos y ha crecido rápidamente hasta el punto en que se puede diseñar un avión completo utilizando software de computadora, con pruebas en túnel de viento seguidas de pruebas de vuelo para confirmar las predicciones de la computadora. La comprensión de la aerodinámica supersónica e hipersónica ha madurado desde la década de 1960, y los objetivos de los aerodinamistas han pasado del comportamiento del flujo de fluidos a la ingeniería de un vehículo de modo que interactúe de manera predecible con el flujo de fluidos. El diseño de aeronaves para condiciones supersónicas e hipersónicas, así como el deseo de mejorar la eficiencia aerodinámica de las aeronaves y los sistemas de propulsión actuales, continúan motivando nuevas investigaciones en aerodinámica, mientras se continúa trabajando en problemas importantes en la teoría aerodinámica básica relacionados con la turbulencia del flujo y la existencia y unicidad de soluciones analíticas para las ecuaciones de Navier-Stokes.
Comprender el movimiento del aire alrededor de un objeto (a menudo llamado campo de flujo) permite el cálculo de fuerzas y momentos que actúan sobre el objeto. En muchos problemas de aerodinámica, las fuerzas de interés son las fuerzas fundamentales del vuelo: sustentación , resistencia , empuje y peso . De estas, la sustentación y la resistencia son fuerzas aerodinámicas, es decir, fuerzas debidas al flujo de aire sobre un cuerpo sólido. El cálculo de estas cantidades a menudo se basa en el supuesto de que el campo de flujo se comporta como un continuo. Los campos de flujo continuo se caracterizan por propiedades como la velocidad de flujo , la presión , la densidad y la temperatura , que pueden ser funciones de la posición y el tiempo. Estas propiedades pueden medirse directa o indirectamente en experimentos de aerodinámica o calcularse a partir de las ecuaciones de conservación de masa, momento y energía en flujos de aire. La densidad, la velocidad de flujo y una propiedad adicional, la viscosidad , se utilizan para clasificar los campos de flujo.
La velocidad de flujo se utiliza para clasificar los flujos según el régimen de velocidad. Los flujos subsónicos son campos de flujo en los que el campo de velocidad del aire siempre está por debajo de la velocidad local del sonido. Los flujos transónicos incluyen tanto regiones de flujo subsónico como regiones en las que la velocidad de flujo local es mayor que la velocidad local del sonido. Los flujos supersónicos se definen como flujos en los que la velocidad de flujo es mayor que la velocidad del sonido en todas partes. Una cuarta clasificación, el flujo hipersónico, se refiere a los flujos en los que la velocidad de flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Los aerodinámicos no están de acuerdo con la definición precisa de flujo hipersónico.
El flujo compresible tiene en cuenta la variación de densidad dentro del flujo. Los flujos subsónicos suelen idealizarse como incompresibles, es decir, se supone que la densidad es constante. Los flujos transónicos y supersónicos son compresibles, y los cálculos que no tienen en cuenta los cambios de densidad en estos campos de flujo arrojarán resultados inexactos.
La viscosidad está asociada con las fuerzas de fricción en un flujo. En algunos campos de flujo, los efectos viscosos son muy pequeños y las soluciones aproximadas pueden ignorar los efectos viscosos con seguridad. Estas aproximaciones se denominan flujos no viscosos. Los flujos para los que no se ignora la viscosidad se denominan flujos viscosos. Finalmente, los problemas aerodinámicos también pueden clasificarse según el entorno del flujo. La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de diversas formas (por ejemplo, alrededor del ala de un avión), mientras que la aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes dentro de objetos sólidos (por ejemplo, a través de un motor a reacción).
A diferencia de los líquidos y los sólidos, los gases están compuestos de moléculas discretas que ocupan solo una pequeña fracción del volumen que ocupa el gas. A nivel molecular, los campos de flujo están formados por las colisiones de muchas moléculas de gas individuales entre sí y con superficies sólidas. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones de aerodinámica, se ignora la naturaleza molecular discreta de los gases y se supone que el campo de flujo se comporta como un continuo . Esta suposición permite que las propiedades del fluido, como la densidad y la velocidad del flujo, se definan en todas partes dentro del flujo.
La validez del supuesto continuo depende de la densidad del gas y de la aplicación en cuestión. Para que el supuesto continuo sea válido, la longitud media del camino libre debe ser mucho menor que la escala de longitud de la aplicación en cuestión. Por ejemplo, muchas aplicaciones de aerodinámica tratan con aeronaves que vuelan en condiciones atmosféricas, donde la longitud media del camino libre es del orden de micrómetros y donde el cuerpo es órdenes de magnitud más grande. En estos casos, la escala de longitud de la aeronave varía de unos pocos metros a unas pocas decenas de metros, que es mucho mayor que la longitud media del camino libre. Para tales aplicaciones, el supuesto continuo es razonable. El supuesto continuo es menos válido para flujos de densidad extremadamente baja, como los que encuentran los vehículos a altitudes muy elevadas (por ejemplo, 300.000 pies/90 km) [6] o los satélites en órbita terrestre baja . En esos casos, la mecánica estadística es un método más preciso para resolver el problema que la aerodinámica continua. El número de Knudsen se puede utilizar para orientar la elección entre la mecánica estadística y la formulación continua de la aerodinámica.
La hipótesis de un fluido continuo permite resolver problemas de aerodinámica utilizando las leyes de conservación de la dinámica de fluidos . Se utilizan tres principios de conservación:
En conjunto, estas ecuaciones se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes , aunque algunos autores definen el término para incluir solo la(s) ecuación(es) de momento. Las ecuaciones de Navier-Stokes no tienen una solución analítica conocida y se resuelven en la aerodinámica moderna mediante técnicas computacionales . Debido a que los métodos computacionales que utilizan computadoras de alta velocidad no estaban disponibles históricamente y al alto costo computacional de resolver estas ecuaciones complejas ahora que están disponibles, se han empleado y se siguen empleando simplificaciones de las ecuaciones de Navier-Stokes. Las ecuaciones de Euler son un conjunto de ecuaciones de conservación similares que descuidan la viscosidad y pueden usarse en casos en los que se espera que el efecto de la viscosidad sea pequeño. Simplificaciones posteriores conducen a la ecuación de Laplace y la teoría del flujo potencial . Además, la ecuación de Bernoulli es una solución en una dimensión tanto para las ecuaciones de conservación de momento como de energía.
La ley de los gases ideales u otra ecuación de estado similar se utiliza a menudo junto con estas ecuaciones para formar un sistema determinado que permite la solución de las variables desconocidas. [20]
Los problemas aerodinámicos se clasifican según el entorno de flujo o las propiedades del flujo, incluida la velocidad de flujo , la compresibilidad y la viscosidad . La aerodinámica externa es el estudio del flujo alrededor de objetos sólidos de diversas formas. La evaluación de la sustentación y la resistencia de un avión o las ondas de choque que se forman frente a la nariz de un cohete son ejemplos de aerodinámica externa. La aerodinámica interna es el estudio del flujo a través de pasajes en objetos sólidos. Por ejemplo, la aerodinámica interna abarca el estudio del flujo de aire a través de un motor a reacción o a través de una tubería de aire acondicionado .
Los problemas aerodinámicos también pueden clasificarse según si la velocidad del flujo es inferior, cercana o superior a la velocidad del sonido . Un problema se denomina subsónico si todas las velocidades en el problema son menores que la velocidad del sonido, transónico si están presentes velocidades tanto inferiores como superiores a la velocidad del sonido (normalmente cuando la velocidad característica es aproximadamente la velocidad del sonido), supersónico cuando la velocidad característica del flujo es mayor que la velocidad del sonido, e hipersónico cuando la velocidad del flujo es mucho mayor que la velocidad del sonido. Los aerodinámicos no están de acuerdo sobre la definición precisa de flujo hipersónico; una definición aproximada considera que los flujos con números de Mach superiores a 5 son hipersónicos. [6]
La influencia de la viscosidad en el flujo dicta una tercera clasificación. Algunos problemas pueden encontrar solo efectos viscosos muy pequeños, en cuyo caso la viscosidad puede considerarse despreciable. Las aproximaciones a estos problemas se denominan flujos no viscosos . Los flujos para los que la viscosidad no se puede despreciar se denominan flujos viscosos.
Un flujo incompresible es un flujo en el que la densidad es constante tanto en el tiempo como en el espacio. Aunque todos los fluidos reales son compresibles, un flujo suele considerarse incompresible si el efecto de los cambios de densidad provoca solo pequeños cambios en los resultados calculados. Es más probable que esto sea cierto cuando las velocidades del flujo son significativamente inferiores a la velocidad del sonido. Los efectos de la compresibilidad son más significativos a velocidades cercanas o superiores a la velocidad del sonido. El número de Mach se utiliza para evaluar si se puede suponer la incompresibilidad; de lo contrario, se deben incluir los efectos de la compresibilidad.
La aerodinámica subsónica (o de baja velocidad) describe el movimiento de fluidos en flujos que son mucho más bajos que la velocidad del sonido en todas partes del flujo. Hay varias ramas del flujo subsónico, pero surge un caso especial cuando el flujo es no viscoso , incompresible e irrotacional . Este caso se llama flujo potencial y permite que las ecuaciones diferenciales que describen el flujo sean una versión simplificada de las ecuaciones de dinámica de fluidos , poniendo así a disposición del aerodinamista una gama de soluciones rápidas y fáciles. [21]
Al resolver un problema subsónico, una de las decisiones que debe tomar el aerodinamista es si incorporar los efectos de la compresibilidad. La compresibilidad es una descripción de la cantidad de cambio de densidad en el flujo. Cuando los efectos de la compresibilidad en la solución son pequeños, se puede suponer que la densidad es constante. El problema es entonces un problema de aerodinámica de baja velocidad incompresible. Cuando se permite que la densidad varíe, el flujo se llama compresible. En el aire, los efectos de la compresibilidad generalmente se ignoran cuando el número de Mach en el flujo no excede 0,3 (aproximadamente 335 pies (102 m) por segundo o 228 millas (366 km) por hora a 60 °F (16 °C)). Por encima de Mach 0,3, el flujo problemático debe describirse utilizando la aerodinámica compresible.
Según la teoría de la aerodinámica, un flujo se considera compresible si la densidad cambia a lo largo de una línea de corriente . Esto significa que, a diferencia del flujo incompresible, se consideran los cambios de densidad. En general, este es el caso cuando el número de Mach en parte o en todo el flujo supera 0,3. El valor de Mach 0,3 es bastante arbitrario, pero se utiliza porque los flujos de gas con un número de Mach inferior a ese valor muestran cambios en la densidad de menos del 5%. Además, ese cambio máximo de densidad del 5% se produce en el punto de estancamiento (el punto del objeto donde la velocidad del flujo es cero), mientras que los cambios de densidad alrededor del resto del objeto serán significativamente menores. Los flujos transónicos, supersónicos e hipersónicos son todos flujos compresibles.
El término transónico se refiere a un rango de velocidades de flujo justo por debajo y por encima de la velocidad local del sonido (generalmente considerada como Mach 0,8-1,2). Se define como el rango de velocidades entre el número crítico de Mach , cuando algunas partes del flujo de aire sobre una aeronave se vuelven supersónicas , y una velocidad más alta, típicamente cerca de Mach 1,2 , cuando todo el flujo de aire es supersónico. Entre estas velocidades, parte del flujo de aire es supersónico, mientras que parte del flujo de aire no lo es.
Los problemas aerodinámicos supersónicos son aquellos que involucran velocidades de flujo mayores que la velocidad del sonido. Calcular la sustentación en el Concorde durante el vuelo de crucero puede ser un ejemplo de un problema aerodinámico supersónico.
El flujo supersónico se comporta de manera muy diferente al flujo subsónico. Los fluidos reaccionan a las diferencias de presión; los cambios de presión son la forma en que se le "indica" a un fluido que responda a su entorno. Por lo tanto, dado que el sonido es, de hecho, una diferencia de presión infinitesimal que se propaga a través de un fluido, la velocidad del sonido en ese fluido puede considerarse la velocidad más rápida a la que la "información" puede viajar en el flujo. Esta diferencia se manifiesta de manera más obvia en el caso de un fluido que golpea un objeto. Frente a ese objeto, el fluido acumula una presión de estancamiento a medida que el impacto con el objeto hace que el fluido en movimiento se detenga. En un fluido que viaja a velocidad subsónica, esta alteración de la presión puede propagarse aguas arriba, cambiando el patrón de flujo delante del objeto y dando la impresión de que el fluido "sabe" que el objeto está allí al ajustar aparentemente su movimiento y fluir a su alrededor. Sin embargo, en un flujo supersónico, la alteración de la presión no puede propagarse aguas arriba. Así, cuando el fluido finalmente alcanza el objeto, lo golpea y el fluido se ve obligado a cambiar sus propiedades ( temperatura , densidad , presión y número de Mach ) de una manera extremadamente violenta e irreversible llamada onda de choque . La presencia de ondas de choque, junto con los efectos de compresibilidad de los fluidos de alta velocidad de flujo (ver número de Reynolds ), es la diferencia central entre los regímenes aerodinámicos supersónicos y subsónicos.
En aerodinámica, las velocidades hipersónicas son velocidades que son altamente supersónicas. En la década de 1970, el término generalmente pasó a referirse a velocidades de Mach 5 (cinco veces la velocidad del sonido) y superiores. El régimen hipersónico es un subconjunto del régimen supersónico. El flujo hipersónico se caracteriza por un flujo de alta temperatura detrás de una onda de choque, interacción viscosa y disociación química del gas.
Los regímenes de flujo incompresible y compresible producen muchos fenómenos asociados, como capas límite y turbulencia.
El concepto de capa límite es importante en muchos problemas de aerodinámica. Se estima que la viscosidad y la fricción del fluido en el aire son significativas solo en esta capa delgada. Esta suposición hace que la descripción de dicha aerodinámica sea mucho más manejable matemáticamente.
En aerodinámica, la turbulencia se caracteriza por cambios caóticos en las propiedades del flujo. Estos incluyen difusión de bajo momento, convección de alto momento y variación rápida de la presión y la velocidad del flujo en el espacio y el tiempo. El flujo que no es turbulento se denomina flujo laminar .
La aerodinámica es un elemento importante del diseño de vehículos , incluidos los automóviles de carretera y los camiones , donde el objetivo principal es reducir el coeficiente de resistencia aerodinámica del vehículo , y los automóviles de carreras , donde además de reducir la resistencia, el objetivo también es aumentar el nivel general de carga aerodinámica . [21] La aerodinámica también es importante en la predicción de fuerzas y momentos que actúan sobre los barcos de vela . Se utiliza en el diseño de componentes mecánicos como cabezales de disco duro . Los ingenieros estructurales recurren a la aerodinámica, y particularmente a la aeroelasticidad , al calcular las cargas de viento en el diseño de grandes edificios, puentes y turbinas eólicas .
La aerodinámica de los conductos internos es importante en la calefacción/ventilación , en las tuberías de gas y en los motores de automóviles , donde los patrones de flujo detallados afectan en gran medida el rendimiento del motor.
La aerodinámica urbana es estudiada por urbanistas y diseñadores que buscan mejorar las comodidades en espacios exteriores o crear microclimas urbanos para reducir los efectos de la contaminación urbana. El campo de la aerodinámica ambiental describe las formas en que la circulación atmosférica y la mecánica del vuelo afectan a los ecosistemas.
Las ecuaciones aerodinámicas se utilizan en la predicción numérica del tiempo .
Los deportes en los que la aerodinámica es de importancia crucial incluyen el fútbol , el tenis de mesa , el cricket , el béisbol y el golf , en los que la mayoría de los jugadores pueden controlar la trayectoria de la pelota utilizando el " efecto Magnus ".
Sir George Cayley, nacido en 1773, es a veces llamado el Padre de la Aviación. Pionero en su campo, fue el primero en identificar las cuatro fuerzas aerodinámicas del vuelo (peso, sustentación, resistencia y empuje) y su relación. También fue el primero en construir un planeador capaz de transportar personas con éxito. Cayley describió muchos de los conceptos y elementos del avión moderno y fue el primero en comprender y explicar en términos de ingeniería los conceptos de sustentación y empuje.
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