En este artículo, profundizamos en los conceptos fundamentales de la dinámica de sustentación, resistencia y cabeceo, explorando su significado tanto en aerodinámica como en hidrodinámica. Utilizando alas de avión y palas de turbinas eólicas como ejemplos, explicamos cómo estas fuerzas interactúan e influyen en el rendimiento y la estabilidad de diversos vehículos y maquinaria. Los diagramas y explicaciones detallados hacen accesibles teorías complejas, mejorando su comprensión de estas fuerzas críticas en los sistemas de vuelo y rotación.
**Levantar y arrastrar: comprensión de la aerodinámica en superficies aerodinámicas y burbujas en movimiento**
La sustentación y la resistencia son fuerzas aerodinámicas que actúan sobre los perfiles aerodinámicos que se mueven en el aire, así como fuerzas que actúan sobre las burbujas que se mueven en el agua. Usando un avión como ejemplo (principios similares se aplican a las burbujas en el agua), exploremos cómo la sustentación, el arrastre (o fuerza de arrastre) y el movimiento de cabeceo afectan el movimiento del avión en el aire.
### 1. ¿Cómo generan sustentación las alas?
Un ala se refiere a la forma que genera sustentación cuando un objeto se mueve en el aire. La sección transversal del ala de un avión se conoce como perfil aerodinámico, que genera sustentación creando un gradiente de presión entre las superficies superior e inferior del ala.
**Consulte la ilustración del avión a continuación.**
**Figura 1:** Descripción general de las fuerzas que actúan sobre un avión. La sustentación debe equilibrar el peso y el empuje debe equilibrar la resistencia para que el avión mantenga el vuelo.
Para un avión en vuelo, las fuerzas que actúan sobre él incluyen el peso que lo empuja hacia abajo y la resistencia que lo empuja hacia atrás. Al mismo tiempo, el avión genera empuje para avanzar y se levanta para contrarrestar el peso, permitiéndole seguir volando.
Las alas de los aviones se componen de múltiples perfiles apilados a lo largo de un eje. Al comprender la física de un solo perfil aerodinámico, podemos comprender los principios que gobiernan toda la estructura del ala. **La Figura 2** muestra la distribución de fuerzas en un solo perfil aerodinámico. Note la dirección y magnitud de cada fuerza. En este estado, el avión puede acelerar y ascender porque el empuje y la sustentación exceden el peso y la resistencia, respectivamente.
**Figura 2:** Distribución de fuerzas en un único perfil aerodinámico de un ala de avión.
### 2. Distribución de presión en un perfil aerodinámico
Considere una línea aerodinámica, donde el estado "1" representa el estado antes de interactuar con el perfil aerodinámico y el estado "2" representa el estado después de la interacción. **La Figura 3** ilustra la terminología de las variables relevantes:
**Figura 3:** Diagrama de la línea de corriente entre el estado 1 y el estado 2, que representa antes y después de la interacción con el perfil aerodinámico.
Al aplicar la ecuación de Bernoulli a lo largo de esta línea de corriente se obtiene:
\(P\) es la presión estática, \(\rho\) es la densidad del fluido y \(U\) es la velocidad del fluido.
La forma de un perfil aerodinámico está diseñada para diversos propósitos, lo que provoca diferentes velocidades del fluido a lo largo de su longitud. Según la ecuación de Bernoulli, los cambios de velocidad provocan variaciones de presión en relación con la presión atmosférica local. Estas cargas de presión correspondientes actúan normal a la superficie y al integrarlas se obtiene la fuerza total por unidad de área.
**Comparación de las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico**
Si imaginamos el flujo de aire solo en la superficie superior de un perfil aerodinámico bidimensional, podemos observar que la velocidad se acelera cerca de la región de máxima curvatura de espesor. Esto significa que la velocidad \(U_2\) será mayor que la velocidad de flujo libre \(U_1\). Por lo tanto, la presión estática \(P_2\) será menor que la presión de flujo libre \(P_1\). Esto crea una succión en la superficie superior, tirando del perfil aerodinámico hacia arriba y generando sustentación (**ver Figura 4**).
**Figura 4:** La aceleración del flujo de aire cerca de la curvatura del espesor máximo reduce la presión local, generando sustentación.
De manera similar, podemos analizar la distribución de presión en la superficie inferior. Para este perfil aerodinámico específico, el flujo de aire se acelera alrededor del borde de ataque, creando succión hacia abajo. Más adelante, el flujo de aire se desacelera, provocando un aumento de presión. Como esta presión es mayor que la presión atmosférica local, actúa sobre el perfil aerodinámico, produciendo sustentación (**ver Figura 5**).
**Figura 5:** La succión hacia abajo cerca del borde de ataque y la tracción hacia arriba en la parte media contribuyen a la elevación total. Los diferentes patrones de flujo alrededor de cada perfil aerodinámico dependen completamente de su forma.
Al integrar las distribuciones de presión en las superficies superior e inferior, obtenemos el vector de fuerza total \( \vec{F} \), cuyas componentes perpendicular y paralela al flujo de aire proporcionan sustentación y resistencia, respectivamente.
**Figura 6:** La fuerza total que actúa sobre el perfil aerodinámico tiene un componente vertical llamado sustentación y un componente paralelo llamado arrastre.
### 3. ¿Qué es Lift?
La sustentación es una componente del vector de fuerza total \( \vec{F} \), que actúa a través del centro de presión del objeto y perpendicular al flujo de aire entrante. Para un ángulo de ataque cero, actúa en sentido opuesto al peso (**ver Figura 1**). La sustentación es una fuerza mecánica generada cuando un objeto se mueve en el aire y posee magnitud y dirección.
Para el levantamiento son necesarias dos condiciones:
1. **Fluido:** La sustentación se genera solo cuando un objeto sólido interactúa con un fluido.
2. **Movimiento:** La elevación se produce sólo cuando hay un diferencial de velocidad entre el objeto sólido y el fluido, es decir, cuando el objeto se mueve a través del fluido. Este movimiento también produce arrastre, conocido como arrastre inducido.
**Ecuación de elevación:** La elevación es una función de la densidad del fluido, la velocidad de la corriente libre y el área de referencia del ala. También implica una cantidad adimensional llamada coeficiente de sustentación, que se utiliza para comparar el rendimiento de diferentes alas en diferentes formas o velocidades. Básicamente, el coeficiente de sustentación ayuda a medir cómo la forma, la inclinación y las condiciones de flujo de un ala afectan su sustentación.
\(F_l\) [N] es la suma de fuerzas en la dirección de elevación especificada; \(C_l\) es el coeficiente de sustentación; \(\rho\) [kg/m³] es la densidad del fluido; \(V\) [m/s] es la velocidad de la corriente libre; \(A\) [m²] es el área de referencia.
### 4. ¿Qué es el arrastre?
El arrastre es un componente del vector de fuerza total \( \vec{F} \), que actúa a través del centro de presión del objeto y paralelo a la dirección del flujo de aire entrante. Con un ángulo de ataque cero, actúa en sentido opuesto al empuje del avión (**ver Figura 1**). La resistencia se produce debido a la diferencia de velocidad entre el objeto sólido y el fluido, por lo que solo surge cuando hay movimiento relativo entre los dos. Si no existe tal movimiento, no habrá arrastre.
Para los objetos voladores, existen dos tipos importantes de resistencia:
1. **Arrastre parásito:** Una combinación de arrastre de forma y arrastre de fricción de piel.
– **Arrastre de forma:** Este arrastre depende de la forma del objeto. Se calcula multiplicando la presión local por la superficie del objeto.
– **Arrastre por fricción de la piel:** Este arrastre surge de la interacción directa entre el fluido y la superficie del objeto. Cuanto mayor sea el área humedecida, mayor será la fricción de la piel.
2. **Arrastre inducido:** El arrastre inducido o inducido por sustentación es causado por la generación de sustentación. En los aviones, los vórtices de las puntas de las alas crean flujos arremolinados que perturban la distribución del flujo de aire alrededor de la envergadura. Esto reduce la capacidad del ala para generar sustentación, lo que requiere un mayor ángulo de ataque para lograr la misma sustentación, aumentando así el componente de resistencia.
Este fenómeno también aparece en turbomáquinas basadas en ascensores, como las turbinas eólicas.
**Ecuación de arrastre:** El arrastre también es función de la densidad del fluido, la velocidad de la corriente libre y el área de referencia del ala. Se trata de otra cantidad adimensional llamada coeficiente de resistencia, que ayuda a medir la resistencia que experimenta el ala en un entorno fluido.
\(F_d\) [N] es la suma de fuerzas en la dirección de arrastre especificada; \(C_d\) es el coeficiente de arrastre; \(\rho\) [kg/m³] es la densidad del fluido; \(V\) [m/s] es la velocidad de la corriente libre; \(A\) [m²] es el área de referencia.
### 5. ¿Qué es el tono?
El movimiento de cabeceo se refiere al movimiento hacia arriba y hacia abajo del morro de un avión alrededor de un eje. Este movimiento afecta significativamente la sustentación generada por las alas del avión. Usando la **Figura 7**, imagina una línea que va desde una punta de ala a la otra, pasando por el centro de gravedad. Considere el movimiento del avión alrededor de este eje.
**Figura 7:** Descripción del movimiento de cabeceo, con el eje yendo de punta a punta de ala.
El cabeceo aumenta el ángulo de ataque (definido a continuación), aumentando así el componente de sustentación de la fuerza total (**ver Figura 10**). Esto se debe a que la mayor desviación hacia abajo acelera el flujo de aire sobre el ala. Cuanto mayor sea el movimiento ascendente, mayor será la sustentación generada por el ala. Sin embargo, esto es sostenible sólo hasta cierto punto, más allá del cual se produce un estancamiento (que se analiza más adelante).
**La Figura 8** ilustra la relación entre el ángulo de cabeceo y el ángulo de ataque del ala. Observe cómo la magnitud de la sustentación y la resistencia cambian al aumentar el ángulo de ataque. Ambas fuerzas aumentan, pero no por igual. Dado que la sustentación aumenta más rápido que la resistencia, la relación elevación-resistencia también aumenta.
**Figura 8:** Aumentar el ángulo de ataque genera más sustentación y resistencia; sin embargo, la relación elevación-resistencia aumenta.
### 6. Ángulo de ataque y ángulo de cabeceo
Para un perfil aerodinámico, el ángulo de ataque es el ángulo entre el fluido de corriente libre entrante y la línea de cuerda que se extiende desde el borde de ataque hasta el borde de salida. El ángulo de paso es el ángulo entre la línea de cuerda y cualquier plano de referencia. El plano de referencia podría ser el terreno plano de un objeto volador o el plano del rotor de una turbomáquina.
**Figura 9:** Destacando la diferencia entre ángulo de ataque y ángulo de cabeceo. El ángulo de ataque puede ser mayor, menor o igual que el ángulo de cabeceo.
Dependiendo del plano de referencia, el ángulo de ataque puede ser mayor, menor o igual que el ángulo de cabeceo.
**Pérdida:** Aumentar el ángulo de ataque aumenta la relación elevación-arrastre hasta cierto punto. Más allá de este punto, aumentar aún más el ángulo de ataque da como resultado una disminución repentina de la sustentación y un fuerte aumento de la resistencia, lo que lleva a una pérdida. Esto significa que el avión no puede generar suficiente sustentación para soportar su peso, lo que hace que descienda.
**Figura 10:** Coeficientes de sustentación y resistencia aerodinámica de un perfil aerodinámico NACA 0012; Re:Reynolds
### Stall: comprensión de la sustentación, la resistencia y el cabeceo en entornos aerodinámicos e hidrodinámicos
La pérdida debe evitarse a toda costa en los aviones, ya que significa sustentación insuficiente para equilibrar el peso. También se puede observar estancamiento en los compresores, lo que provoca una rotación desigual de las palas, lo que ralentiza el rotor y puede provocar una falla de las palas.
### Movimientos de elevación, arrastre y cabeceo en maquinaria giratoria
La maquinaria giratoria de eje horizontal o vertical consta de un rotor o impulsor y un conjunto de palas dispuestas simétricamente. Esto incluye turbinas eólicas, motores a reacción, bombas centrífugas y compresores. Al igual que las alas de los aviones, estas palas también se componen de un conjunto de perfiles aerodinámicos.
**Figura 12:** Croquis de estructura alámbrica de palas de turbina eólica que muestra diferentes secciones del perfil aerodinámico y sus funciones. Cada sección del perfil aerodinámico tiene una función diferente.
Cada sección del perfil aerodinámico cumple una función diferente. Los perfiles aerodinámicos cerca de la raíz aseguran la rigidez estructural, mientras que los del medio y la punta generan principalmente sustentación.
### Paso en Maquinaria Rotativa
Una diferencia importante entre los aviones y la maquinaria rotativa es que en la maquinaria rotativa, los perfiles experimentan velocidad/flujo del viento a partir de dos componentes: fluido de corriente libre y rotación de las palas.
**Figura 13:** Las alas de las aeronaves experimentan viento solo del componente de flujo libre, mientras que los perfiles aerodinámicos de la maquinaria giratoria experimentan un componente rotacional adicional.
Considere observar la pala de la turbina eólica de eje horizontal desde la parte superior del plano del rotor, con la pala en el punto muerto inferior. El viento se acerca horizontalmente desde el suelo y gira en el sentido de las agujas del reloj. El diagrama de la vista superior en la **Figura 14** ilustra esto. Tenga en cuenta los diferentes ángulos de inclinación de los perfiles a lo largo de la extensión de las palas.
**Figura 14:** Esqueleto de pala de turbina eólica que muestra diferentes secciones del perfil aerodinámico inclinadas en varios ángulos a lo largo del tramo.
Cada parte de la pala tiene un conjunto de perfiles aerodinámicos diferentes, lo que significa que cada parte tiene funciones diferentes, como se mencionó anteriormente. El esqueleto muestra claramente que cada perfil aerodinámico tiene un ángulo de inclinación diferente. El ángulo de paso es mayor cerca de la raíz/buje de la pala, mientras que el ángulo de paso cerca de la punta es menor. Esto se explicará a continuación.
**Ángulo de flujo:** El ángulo de flujo \(ϕ\) es el ángulo entre la velocidad del viento entrante y el plano de rotación. A medida que avanzamos desde la raíz hasta la punta de la pala, este ángulo de flujo se vuelve más pequeño. Esto se debe a que la velocidad tangencial cerca de la raíz es menor que en la punta.
\(v⃗ =\) Velocidad tangencial, \(ω⃗ =\) Velocidad angular, \(r⃗ =\) Vector radial alejado de la raíz/hub.
**Figura 15:** El ángulo de flujo es el ángulo entre la velocidad del viento resultante y el plano de referencia.
En los aerogeneradores, este plano de referencia es el plano de rotación. Cerca de la raíz, el ángulo de flujo es mayor en comparación con la punta. **La Figura 16** simplemente muestra que este ángulo de flujo es la suma del ángulo de ataque y el ángulo de paso.
**Figura 16:** El ángulo de flujo es la suma del ángulo de ataque y el ángulo de cabeceo.
\(ϕ\) es el ángulo de flujo, \(α\) es el ángulo de ataque, \(β\) es el ángulo de paso.
Un aumento en el ángulo de ataque conduce a una pérdida; por lo tanto, el ángulo de ataque \(α\) debe controlarse dentro de límites específicos, especialmente cerca de la raíz donde el ángulo de flujo \(ϕ\) es mayor. Esto se puede gestionar aumentando el ángulo de cabeceo \(β\) para sobrepasar los perfiles aerodinámicos cerca de la raíz.
Utilizando el ángulo de paso para reducir la resistencia, podemos mejorar la eficiencia de las turbinas de flujo mixto al reducir las regiones de separación alrededor de las aspas. El siguiente diagrama muestra las características de velocidad en un avión que pasa por la voluta de una turbina de flujo mixto:
**Figura 17:** En el diseño modificado, reducir el ángulo de las palas del estator puede disminuir el ángulo de ataque y la separación del flujo.
Observe los vectores de velocidad y los contornos de magnitud en la turbina de la derecha. Cambiar el ángulo de las palas exteriores (estator) da como resultado un ángulo de ataque efectivo (AoA) reducido. Esto reduce la separación (las regiones azules de baja velocidad) y el flujo se une.
