En aeronáutica , la resistencia de las olas es un componente de la resistencia aerodinámica sobre las alas y el fuselaje de los aviones, las puntas de las palas de las hélices y los proyectiles que se mueven a velocidades transónicas y supersónicas , debido a la presencia de ondas de choque . [1] La resistencia de las olas es independiente de los efectos viscosos , [2] y tiende a presentarse como un aumento repentino y dramático de la resistencia a medida que el vehículo aumenta la velocidad hasta el número de Mach crítico . Es el repentino y dramático aumento de la resistencia de las olas lo que lleva al concepto de barrera del sonido .
La resistencia de las olas es un componente de la resistencia de la presión debido a los efectos de la compresibilidad . [3] Es causada por la formación de ondas de choque alrededor de un cuerpo. Las ondas de choque crean una cantidad considerable de resistencia, lo que puede provocar una resistencia extrema en el cuerpo. Aunque las ondas de choque suelen estar asociadas con el flujo supersónico, pueden formarse a velocidades subsónicas de los aviones en áreas del cuerpo donde el flujo de aire local se acelera a una velocidad supersónica. El efecto suele verse en aviones a velocidades transónicas (aproximadamente Mach 0,8 ), pero es posible notar el problema a cualquier velocidad superior a la del Mach crítico de ese avión. Es tan pronunciado que, antes de 1947, se pensaba que los motores de los aviones no serían lo suficientemente potentes para superar la mayor resistencia, o que las fuerzas serían tan grandes que los aviones correrían el riesgo de romperse en pleno vuelo. Esto llevó al concepto de barrera del sonido .
En 1947, los estudios sobre la resistencia de las olas llevaron al desarrollo de formas perfectas para reducir la resistencia de las olas tanto como fuera teóricamente posible. Para un fuselaje, la forma resultante fue la carrocería de Sears-Haack , que sugería una forma de sección transversal perfecta para cualquier volumen interno determinado. La ojiva de von Kármán tenía una forma similar a la de los cuerpos con un extremo romo, como un misil. Ambos se basaban en formas largas y estrechas con extremos puntiagudos, siendo la principal diferencia que la ojiva tenía punta en un solo extremo.
Varias técnicas nuevas desarrolladas durante y justo después de la Segunda Guerra Mundial lograron reducir drásticamente la magnitud de la resistencia de las olas y, a principios de la década de 1950, los últimos aviones de combate podían alcanzar velocidades supersónicas .
Estas técnicas fueron rápidamente utilizadas por los diseñadores de aviones. Una solución común al problema de la resistencia de las olas era utilizar un ala en flecha , que en realidad se había desarrollado antes de la Segunda Guerra Mundial y se había utilizado en algunos diseños alemanes en tiempos de guerra. La curvatura del ala la hace parecer más delgada y más larga en la dirección del flujo de aire, lo que hace que la forma del ala en forma de lágrima convencional se acerque más a la de la ojiva de von Kármán , sin dejar de ser útil a velocidades más bajas donde la curvatura y el grosor son importantes.
No es necesario barrer el ala cuando es posible construir un ala que sea extremadamente delgada. Esta solución se utilizó en varios diseños, comenzando con el Bell X-1 , el primer avión tripulado que voló a la velocidad del sonido. La desventaja de este enfoque es que el ala es tan delgada que ya no es posible utilizarla para almacenar combustible o tren de aterrizaje. Estas alas son muy comunes en los misiles, aunque, en ese campo, a menudo se las denomina "aletas".
La forma del fuselaje también cambió con la introducción de la regla del área de Whitcomb . Whitcomb había estado trabajando en pruebas de resistencia transónica en varias formas de estructuras de aviones cuando, después de ver una presentación de Adolf Busemann en 1952, se dio cuenta de que la carrocería Sears-Haack tenía que aplicarse a todo el avión, no sólo al fuselaje. Esto significó que el fuselaje debía hacerse más estrecho en la unión con las alas, de modo que la sección transversal de todo el avión coincidiera con la carrocería de Sears-Haack.
La aplicación de la regla del área también se puede ver en el uso de cuerpos antichoque en aviones transónicos , incluidos algunos aviones de pasajeros . Los cuerpos antichoque, que son cápsulas a lo largo de los bordes de salida de las alas, cumplen la misma función que el diseño del fuselaje de cintura estrecha de otros aviones transónicos.
A lo largo de los años se han introducido varios otros intentos de reducir la resistencia de las olas. El perfil aerodinámico supercrítico es un tipo que da como resultado una sustentación razonable a baja velocidad como un perfil aerodinámico normal, pero tiene un perfil considerablemente más cercano al de la ojiva de von Kármán. Todos los aviones civiles modernos utilizan formas de perfil aerodinámico supercrítico y tienen un flujo supersónico sustancial sobre la superficie superior del ala.
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Dónde:
cd_w - Coeficiente de arrastre del arrastre de onda
α - Ángulo de ataque
t/c - Relación espesor-cuerda
M - Número de Mach de flujo libre
Estas ecuaciones son aplicables a ángulos de ataque bajos (α < 5°)
