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Resistencia aerodinámica

Tabla de contenidos

1 Definición

2 Introducción

3 En aeronáutica

3.1 Resistencia parásita

3.1.1 Resistencia de perfil

3.1.1.1 Resistencia de presión
3.1.1.2 Resistencia de fricción

3.1.2 Resistencia adicional
3.1.3 Resistencia de interferencia

3.2 Resistencia inducida
3.3 Resistencia total

4 En automovilismo

5 Ejemplo de aplicación práctica

6 Ejemplos de coeficientes aerodinámicos de resistencia

7 Véase también

Definición

Fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire.

Introducción

Como con otras fuerzas aerodinámicas, en la práctica en su lugar, por comodidad (como más abajo se verá), se utilizan unos coeficientes adimensionales, que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del aire.

En el caso de la resistencia aerodinámica, a su coeficiente asociado popularmente se le conoce por coeficiente de penetración, coeficiente de resistencia o coeficiente aerodinámico, siendo esta últimas denominación especialmente incorrecta, ya que, como acabamos de mencionar, existen varias fuerzas aerodinámicas, con sus respectivos coeficientes aerodinámicos, y cada uno de ellos se refiere a una cosa diferente.

La forma en que se "trata" a la resistencia aerodinámica presenta algunas particularidades según el campo en que nos encontremos:

En aeronáutica

La resistencia total de un avión en vuelo se puede descomponer en las siguientes:

Resistencia parásita

Se denomina así toda resistencia que no es función de la sustentación. Está compuesta por:

Resistencia de perfil

La resistencia de un perfil alar se puede descomponer a su vez en otras dos:

Resistencia de presión

Debida a la forma de la estela.

Resistencia de fricción

Debida a la viscosidad del fluido.

Resistencia adicional

Es la resistencia provocada los componentes de un avión que no producen sustentación, como por ejemplo el fuselaje o las góndolas subalares.

Resistencia de interferencia

Cada elemento exterior de un avión en vuelo posee su capas límite, pero por su proximidad éstas pueden llegar a interferir entre sí, lo que conduce a la aparición de esta resistencia.

Resistencia inducida

Si consideramos un ala de envergadura finita, debido a unos torbellinos que aparecen en los extremos del ala por a la diferencia de presiones entre el extradós y el intradós, surge la llamada resistencia inducida, cuya fórmula es: $D_i = \frac {2L^2} {\rho \pi b^2 V^2 e}$

Donde (descripción de la variable y unidades en el Sistema Internacional de Unidades):

- Resistencia inducida. Newtons.
- Sustentación. Newtons.
- Densidad del fluido. $\frac{kg}{m^3}$ .
- Envergadura. .
- Velocidad. $\frac{m}{s}$ .
- Factor de eficiencia que depende de la forma en planta del ala.

El coeficiente de la resistencia inducida es: $C_{D_i} = \frac {D_i}{ \frac {1} {2} \rho V^2 S } = \frac {{C_L}^2} {\pi A e}$

Donde (además de las variables descritas en la fórmula anterior):

- Coeficiente de sustentación.
- Alargamiento del ala.

Resistencia total

La fórmula de la resistencia aerodinámica total creada por un avión en vuelo es:

$D= q \cdot C_D= \frac {1} {2} \rho V^2 S C_D$

Donde:

- Resistencia. Se utiliza la "D" por el término inglés drag (resistencia). Newtons.
- Densidad del fluido. $\frac{kg}{m^3}$ .
- Velocidad. $\frac{m}{s}$ .
- Superficie alar en planta. .
- Coeficiente aerodinámico de resistencia. Adimensional.
$q = \frac {1} {2} \rho V^2 S$ - Este término se denomina presión dinámica.

Por lo tanto, la fórmula del coeficiente aerodinámico de resistencia es: $C_D= \frac {D}{ \frac {1} {2} \rho V^2 S }$

Así pues, la resistencia aerodinámica total es la suma de la resistencia parásita y la inducida, por lo que: $C_D= C_{D_{parasita}} + C_{D_{inducida}}$

En automovilismo

La fórmula de la resistencia aerodinámica total creada por un automóvil en movimiento es idéntica a la utilizada en aeronáutica, con la salvedad de la denominación de la fuerza y de su coeficiente asociado. $F_x= \frac {1} {2} \rho V^2 S C_x$

Y el coeficiente aerodinámico de resistencia es: $C_x= \frac {F_x}{ \frac {1} {2} \rho V^2 S }$

Se utiliza la "x" porque en el triedro de referencia que se asocia al vehículo la resistencia actúa paralelamente al eje OX.

Sin embargo, para comparar diferencia "real" en cuanto a eficacia aerodinámica de dos vehículos, no se utiliza el , sino el (que en ocasiones también se puede encontrar como ).

$SC_x=C_x \cdot S$

Por lo que el es función de la superficie frontal del vehículo y se mide en en el Sistema Internacional de Unidades.

La razón de que el coeficiente que realmente se debe utilizar para comparaciones sea el es que si tenemos un vehículo "1" y un vehículo "2" y queremos comparalos en igualdad de condiciones, consideraremos ante todo que tanto la densidad del fluido que les rodea, , como la velocidad a la que circulan, , son las mismas para ambos. De ahí que resistencia aerodinámica que producirán será:

$F_{x_1}= \frac {1} {2} \rho V^2 S_1 C_{x_1}=A S_1 C_{x_1}$

$F_{x_2}= \frac {1} {2} \rho V^2 S_2 C_{x_2}=A S_2 C_{x_2}$

Y así, si juntamos $\frac {1} {2} \rho V^2$ en una variable , se ve claramente que la resistencia aerodinámica en igualdad de condiciones de cada uno ellos depende únicamente de su y su superficie frontal y de ahí que para comparar las resistencias aerodinámicas nos baste con el , cuya utilización es mucho más cómoda que la utilización de fuerzas.

Ejemplo de aplicación práctica

Hasta ahora hemos hablado de fuerzas y coeficientes, pero para hacernos una idea del gasto energético necesario para desplazar un vehículo es mucho más común tratar con potencias, caso en cual nos resulta de utilidad la siguiente fórmula:

$Potencia= \frac {Trabajo}{Tiempo}= \frac { Fuerza \cdot Espacio } {Tiempo}= Fuerza \cdot \frac {Espacio}{Tiempo}=Fuerza \cdot Velocidad$

Por lo tanto, si conocemos los datos aerodinámicos de un cuerpo también podemos calcular la potencia necesaria para desplazarlo por un fluido a cierta velocidad, tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

Datos:

Vehículo considerado: Audi A3 (2003)
Superficie frontal: $S=2,13 \ m^2$ (dato oficial)
Coeficiente: (dato oficial)
Densidad del aire: $\rho=1,225 \ \frac {kg}{m^3}$ (densidad a 0 metros según ISA)
Velocidad: $V=120 \ \frac {km}{h}=33,33 \ \frac {m}{s}$

Cálculo:

$P=F_x \cdot V = \frac {1} {2} \rho S C_x V^3= \frac {1} {2} \cdot 1,225 \cdot 2,13 \cdot 0,32 \cdot {33,33}^3=15457,58 \ W=21,03 \ C.V.$

Sin embargo, no se debe olvidar que esta no es la potencia total necesaria, ya que en la realidad en el desplazamiento propulsado de un coche además de la resistencia aerodonámica existen otras resistencias como por ejemplo la fricción con el suelo, así como pérdidas mecánicas.

Ejemplos de coeficientes aerodinámicos de resistencia

Cuerpo	Superficie frontal ()		()
Audi A3 (2003)	2,13	0,32	0,68
BMW Serie 1 (2004)	2,09	0,31	0,65
Citröen CX (1974)	1,93	0,36	0,71
Opel Astra (2004)	2,11	0,32	0,68
Peugeot 807 (2002)	2,85	0,33	0,94
Renault Espace (1997)	2,54	0,36	0,92
Renault Espace (2002)	2,8	0,35	0,98
Renault Vel Satis (2002)	2,37	0,33	0,79
Hispano Divo (2003)¹	9,2	0,349	3,21
Irizar PB (2002)¹	9,2	0,55	5,06
Camión con deflectores ¹	9	0,70
Autobús ¹	9	0,49
Motocicleta ¹		0,70
Fórmula 1 en Mónaco (el mayor) ²		1,084
Fórmula 1 en Monza (el menor) ²		0,7
Paracaídas ¹		1,33
Perfil alar simétrico ¹		0,05
Esfera ¹		0,1

¹Valores aproximados.
²Los coeficientes de los coches de Fórmula 1 pueden variar según la configuración de sus superfices aerodinámicas, la cual se ajusta para cada circuito.

Véase también

Categorías: Aeronáutica | Automovilismo | Fórmula 1 | Mecánica de fluidos

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