A lo largo de varios artículos hemos hablado ya de los perfiles aerodinámicos, perfiles de ala invertida o simplemente cuerpos con forma de ala que forman los elementos aerodinámicos de los monoplazas. Hasta ahora, sabemos que en una de las superficies de estos perfiles (la más curvada) se genera una zona de depresión y que en la otra hay un incremento de presión. Esto hace que a estas superficies se las conozca como “de succión” y “de presión” respectivamente. Ahora bien, ¿por qué sucede esto? A lo largo de este artículo te lo explicamos.
Vamos a empezar por lo básico. Cuando hablamos de un cuerpo aerodinámico, generalmente nos imaginamos un cuerpo con forma de gota de agua. Si tenemos un perfil aerodinámico simétrico, como en el caso de la imagen, sólo se generarán fuerzas en la dirección y sentido de avance del fluido. Es decir, el aire empujará al cuerpo, creando drag.
En la imagen siguiente, podéis ver una sección (lo que se vería si hiciésemos un corte) de un perfil aerodinámico simétrico.
Sin embargo, las fuerzas que generará el aire sobre el cuerpo en ambas superficies en sentido perpendicular al flujo se anulan entre sí, ya que el perfil es simétrico. Esta es la razón por la que no aparecerá ninguna fuerza de sustentación (lift o downforce). En resumen, un perfil simétrico sólo genera resistencia aerodinámica al avance, pero ningún otro beneficio aerodinámico.
En este punto, habréis llegado a la conclusión de que si se quiere aprovechar el aire para crear carga aerodinámica, hay que emplear otro tipo de perfiles. La solución es sencilla. Simplemente hay que curvar ese cuerpo para generar una zona de presión y una de succión.
Si tenemos un perfil curvado, como en la siguiente imagen, el aire que circula por la superficie más curvada, se acelerará. Por el principio de Bernoulli, al acelerarse, su presión disminuirá, generando una diferencia de presiones entre las dos caras. Esta diferencia de presiones será la causante del downforce. Hay que decir que aunque en la imagen las flechas (vectores) que representan las fuerzas son del mismo tamaño, el downforce será muy superior al drag.
Bien, ya sabemos que los perfiles que se emplean para generar carga aerodinámica son curvos. Ahora la pregunta sería por qué el aire se acelera más en la parte inferior que en la superior. Si alguna vez habéis leído o estudiado algo de aerodinámica, puede que hayáis oído que como el aire tiene que recorrer más espacio por la parte más curva, se tiene que acelerar para llegar al final del perfil a la vez que el que circula por encima. Siento ser yo quien os diga que eso no es cierto. ¿Cuál es entonces el verdadero motivo? Pues dicho motivo tiene nombre, y se llama circulación. Vamos a explicarlo rápidamente.
Cuando el aire llega al final del perfil, lo abandona, pero siempre siguiendo la dirección que llevaba (o similar), sin producirse cambios bruscos en su movimiento. Esto provoca que, en la estela del perfil se genere un vórtice que gira en el sentido de las agujas del reloj. Por el teorema de la conservación del momento angular (no nos vamos a meter en ello, así que no te preocupes si nunca has oído hablar de él), se genera otro vórtice con el sentido contrario de giro (antihorario) en el perfil.
El vórtice que se encuentra localizado en el perfil, es el que provoca que el aire que circula en la superficie de succión se acelere y en la opuesta se decelere. Ahora sí, aplicando el teorema de Bernoulli, podemos deducir que la presión en la zona inferior del perfil será menor que en la superior. Para terminar el razonamiento, por esta diferencia de presiones, se generará una fuerza que empuje el perfil hacia abajo.
Y voilà, hemos descubierto cómo aparece la carga aerodinámica en un perfil aerodinámico de forma rápida en un solo artículo.
Referencias:
Shashank, Lift generation by Kutta Joukowski Theorem. Online: https://www.aircraftnerds.com/2019/07/kutta-joukowski-theorem.html
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