Aerodinámica: Resistencia a la fricción

Resistencia de fricción 
por Archytas 

La resistencia aerodinámica total de los cuerpos es la sumatoria de dos componentes, la resistencia de forma y la de fricción. Ya vimos que la resistencia de forma depende, como su nombre lo indica, de la geometría del cuerpo y vimos también la conveniencia de "aerodinamizarlos" para reducir el arrastre. Obviamente, la mayor resistencia la ofrece una placa plana que enfrenta a la corriente y en el gráfico 1 brindamos los coeficientes de resistencia de las formas más conocidas. 

 
Gráfico 1 

Ahora bien, pasemos a la fricción. Seguramente todos hemos revuelto alguna vez una jarra de agua con una cuchara. La resistencia que ofrece el líquido al movimiento de nuestra mano es, para expresarlo de alguna manera, normal. Pero ¿alguien intentó revolver una jarra llena de miel? El trabajo es enorme. A la cuchara le cuesta desplazarse y cuando queremos sacarla del recipiente arrastra parte de ese fluido con ella. Es natural, este líquido producido por las abejas tiene una viscosidad muchísimo mayor que la del agua. La viscosidad es una propiedad de todos los fluidos, y es la resistencia a la separación molecular "arrastrando" lo que se encuentra alrededor. Ella es la causa de la fricción, es decir, de la resistencia por frotamiento y provoca ciertos fenómenos, uno de ellos fundamental en la aerodinámica –la capa límite– y que ahora trataremos de explicar. Recordemos que líquidos y gases son fluidos, por esa razón brindaremos como ejemplo el comportamiento de una corriente de agua con el fin de una mejor comprensión. 
Imaginemos que nos encontramos en un puente sobre un arroyo o río. Si tuviésemos oportunidad de tirar un objeto que flote en el centro de la corriente de agua comprobaremos que se desplaza con una cierta velocidad. Si lo arrojamos cerca de la orilla veremos que aquella disminuye, mucho más cuanto más nos alejamos del centro, hasta que prácticamente se reduce a cero en el borde. Si trazásemos el perfil de velocidades de la corriente de agua tendrá la forma del gráfico 2: en la zona central alcanza el máximo y mantiene cierta uniformidad, mientras que en la zona cercana al borde decrece hasta hacerse cero. Esto es, ni más ni menos, que efecto de la viscosidad: la orilla tiende a frenar el movimiento del fluido. Esa región en la que la velocidad comienza a decrecer hasta cero es la denominada capa límite, una consecuencia de la viscosidad y que según veremos constituye uno de los aspectos más importantes, particularmente cuando estudiamos la resistencia aerodinámica.

 

Gráfico 2 

Bajo las mismas condiciones (tamaño y velocidad del cuerpo) cuanto mayor es la viscosidad del fluido es tanto mayor el espesor de la capa límite: el gráfico 3 muestra comparativamente este fenómeno para el mismo objeto moviéndose en una sustancia viscosa (miel, aceite), en el agua y en el aire. También existen otros factores que pueden afectar el espesor de la capa, como es la rugosidad: si la superficie es lisa o rugosa se comportará de manera diferente, por eso en el revestimiento de los aviones, tanto del ala como del fuselaje, cobran importancia la altura de remaches, bulones y todo objeto que sobresalga por pequeño que sea. 
El espesor también sufre alteraciones según la zona del objeto en estudio: en la parte delantera es menor que en la trasera. Una cabeza de tornillo que sobresalga en el cono de cola de un fuselaje tendrá efectos menos perjudiciales que en la proa. Esto rige para las aeronaves de baja velocidad, ya que para las de alta velocidad las cosas cambian y el acabado superficial debe tratar de depurarse. Para las que se desplazan a régimen supersónico deben cuidarse extremadamente alas y fuselaje, ya que la capa límite suele alcanzar milímetros de espesor a lo largo de todo el cuerpo. 

 
Gráfico 3 

Como vimos en las entregas anteriores, siempre existirá resistencia por fricción como consecuencia de encontrarnos inmersos en un fluido y la capa límite es su manifestación más evidente. El comportamiento de esta capa (capa limítrofe si la bibliografía proviene de España, boundary layer si el texto está en inglés) es lo que devana los sesos a los ingenieros aeronáuticos responsables del diseño. Se debe tratar siempre que la capa límite permanezca adherida al cuerpo. ¿Por qué? Porque su separación indica una formación de remolinos y por lo tanto aparición de resistencia al avance. Sabemos que una adherencia perfecta a lo largo de todo el cuerpo es imposible porque precisamente los objetos no tienen una configuración ideal ni una superficie completamente lisa. Quizá el mejor ejemplo lo brinda la naturaleza con la gota de agua de lluvia: nace esférica, pero en su caída el aire la moldea "a su antojo" hasta obligarla a adquirir una forma casi perfecta (ver gráfico 4). En el caso de las aeronaves, tanto las alas como los fuselajes deben indefectiblemente incorporar salientes, como compuertas de inspección, tapas, sondas de instrumentos, etc., razón por la cual lo más probable es que la capa se desprenda o se transforme en turbulenta, que es otra alternativa que tiene la capa límite como veremos más adelante. 

 

Gráfico 4. Gota de agua en caída libre. 

Revista Aeroespacio