Definición de Aerodinámica

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que se encarga de estudiar el movimiento de cuerpos sólidos dentro de un gas. También, se utiliza como adjetivo para referirse a objetos que pueden oponerse a la resistencia del aire y facilitar su movimiento.

La atmósfera envuelve toda la superficie de la Tierra y es imposible ignorar sus efectos sobre el movimiento de algunos objetos o vehículos. La aerodinámica es de vital importancia en el desarrollo de aviones, naves espaciales y autos de carreras.

Las fuerzas relevantes en la aerodinámica

Cuando un cuerpo se mueve dentro de un gas, como el aire, experimenta distintas fuerzas como resultado de la interacción entre este y el gas que lo rodea. Las fuerzas de mayor relevancia en este sentido son la sustentación, la resistencia y el empuje.

1) Sustentación

La sustentación es una fuerza de empuje vertical que ejerce un gas sobre un cuerpo, esto es parecido a la fuerza de empuje que ejercen los líquidos. La fuerza de sustentación es especialmente importante en la aviación ya que es el principio que explica por qué los aviones pueden volar. Para poder elevar un avión se tiene que crear una corriente de aire por encima de las alas, la diferencia de presiones entre la parte superior y la parte inferior de las alas hace que el avión experimente una fuerza de sustentación que le permite volar.

Esto último podemos verlo fácilmente con la ecuación de Bernoulli que es básicamente una ecuación de conservación de la energía para fluidos:

\(P + \frac{1}{2}\rho {v^2} + \rho gh = constante\)

Donde \(P\) es la presión, \(\rho \) es la densidad, \(v\) es la velocidad del fluido, \(g\) es la aceleración de gravedad y \(h\) es la altura con respecto a un punto de referencia. Podemos aplicar esta ecuación para la parte superior e inferior de las alas de un avión:

\({P_u} + \frac{1}{2}\rho v_u^2 + \rho gh = {P_d} + \frac{1}{2}\rho v_d^2 + \rho gh\)

Donde los parámetros ya antes mencionados con el sufijo \(u\) pertenecen a la parte superior de las alas y aquellos con el sufijo \(d\) corresponden a la parte inferior. Nótese que estamos ignorando el grosor de las alas debido a que estamos suponiendo que tanto la parte superior como posterior de estas se encuentran a la misma altura \(h\), sin embargo, esto no tiene impacto para visualizar lo que queremos. Con esto último la ecuación anterior se reduce a:

\({P_u} + \frac{1}{2}\rho v_u^2 = {P_d} + \frac{1}{2}\rho v_d^2\)

Podemos despejar para la presión encima de las alas para obtener:

\({P_u} = {P_d} – \frac{1}{2}\rho \left( {v_u^2 – v_d^2} \right)\)

Como ya mencionamos anteriormente, la fuerza de sustentación que eleva a los aviones es resultado de que la velocidad del aire por encima de las alas y mayor que por debajo de estas. Es decir que \({v_u} > {v_d}\), por lo tanto, en la ecuación anterior \(v_u^2 – v_d^2 > 0\) y podemos concluir que \({P_u} < {P_d}\). Es decir, la presión debajo de las alas es mayor que arriba de estas lo que origina una fuerza de sustentación que levanta el avión.

2) Resistencia

La resistencia es una fuerza que ejerce un gas y que se opone al movimiento de un cuerpo, es análoga a la fuerza de fricción. La fuerza de resistencia surge debido a la colisión de las partículas del gas contra la superficie del objeto en movimiento. La resistencia explica por qué dos objetos en caída libre con morfologías distintas pueden llegar al suelo en distintos tiempos a pesar de que ambos están sometidos a la misma fuerza de gravedad.

Algo interesante de la existencia de esta fuerza de resistencia es que implica que un objeto que se mueve con una aceleración constante dentro de un fluido sólo podrá alcanzar una velocidad límite cuyo valor depende de la fuerza de resistencia.

Pongamos el ejemplo de un cuerpo en caída libre y sometido a la resistencia del aire. La fuerza de resistencia que experimenta este objeto es:

\({F_r} = – \frac{1}{2}C\rho A{v^2}\)

Donde \(C\) es el coeficiente de resistencia, \(\rho \) es la densidad del aire en este caso, \(A\) es el área transversal del cuerpo y \(v\) es su velocidad de desplazamiento. La fuerza neta experimentada por este cuerpo en caída libre será entonces:

\({F_T} = mg – \frac{1}{2}C\rho A{v^2}\)

Donde \(m\) es la masa del cuerpo y \(g\) la aceleración de gravedad. Como podemos observar, la resistencia del aire depende de la velocidad del cuerpo, por lo tanto, al irse acelerando debido a la fuerza de gravedad también aumentará la resistencia que experimenta debido al aire. Esto implica que se alcanzará una velocidad límite \({v_{límite}}\) cuando la fuerza de gravedad y la resistencia del aire tienen la misma magnitud y la fuerza neta es igual a cero. Dicho de otra manera:

\(mg – \frac{1}{2}C\rho Av_{límite}^2 = 0\)

Despejando para la velocidad límite tenemos que esta última está dada por:

\({v_{límite}} = \sqrt {\frac{{2mg}}{{C\rho A}}} \)

Esta última expresión nos dice que para aumentar la velocidad límite de un cuerpo en caída libre se tiene que disminuir el área transversal del cuerpo en cuestión. Esto también es la razón del por qué cuerpos con distintas morfologías parecen caer en tiempos diferentes.

3) Empuje

El empuje es la fuerza opuesta a la resistencia y surge como resultado de corrientes de aire que se generan en la parte posterior del objeto en movimiento y que pueden empujar a este. Los aviones para mantener su vuelo también deben de tener sistemas que generen más empuje que pueda vencer a la resistencia que opone el aire.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.
Art. actualizado: Abril 2023; sobre el original de octubre, 2010.

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