Para definir los conceptos de separación y fuerzas de arrastre debemos centrarnos en el comportamiento dinámico de los fluidos, así como de diversos aspectos del flujo viscoso.
En el escurrimiento de los fluidos reales la viscosidad produce la adherencia del fluido a los bordes sólidos. Esto hace que las capas del fluido cercanas disminuyan su velocidad y retarden el escurrimiento de las otras capaz. Si la viscosidad es importante, o bien el número de Reynolds del escurrimiento es bajo, la influencia de las paredes puede comprometer a todo el flujo. Si los efectos de la viscosidad son bajos en comparación a las fuerzas de inercia, el efecto de las paredes es apreciable sólo en la zona cercana a ella.
Este hecho condujo a que Ludwig Prandtl planteara que en muchos casos los escurrimientos de fluidos viscosos pueden ser analizados dividiendo el espacio en dos regiones. Para ello propuso la idea de capa límite.
La idea de la capa límite es separar la zona cercana a las paredes donde los efectos de la viscosidad son importantes del resto del flujo donde no tiene relevancia. En el interior de la capa límite el flujo puede ser laminar o turbulento y su espesor y desarrollo dependen de las propiedades del flujo, del fluido y de la pared. Cuando el flujo se produce en condiciones de gradientes de presión puede producirse el fenómeno de separación. Este consiste en la aparición de contracorrientes del fluido y la separación del flujo principal de los bordes sólidos, dando origen a una zona de mezcla al interior de la cual se produce una uniformización de presiones. La separación se debe a que las fuerzas viscosas detienen el flujo cerca de las paredes haciendo que las fuerzas de inercia se anulen y dejando el fluido a merced de las fuerzas de presión. De manera que si éstas presentan un gradiente negativo con relación a la dirección del flujo principal, el fluido que se encuentra cerca de la pared tiende a avanzar en esta dirección. La aparición de la separación da origen a la llamada fuerza de arrastre o de forma. Ésta, junto a la fuerza de fricción constituyen la fuerza de arrastre total. Si un cuerpo tiene una forma tal que no produce separación se dice que es aerodinámico, o hidrodinámico.
Fuerza de arrastre: F fricción+ F forma
Donde F fricción= F (esfuerzos de corte en las paredes)
F forma= F (esfuerzos normales sobre la superficie)
En otras palabras, en un fluido real se involucran 2 fuerzas, una debido a la fricción y otra debido a la forma (si es que aparece el fenómeno de separación), denominada fuerza de arrastre.
Se entiende como fuerza de arrastre a la fuerza que el flujo ejerce en el cuerpo en la misma dirección del flujo.
En el escurrimiento de los fluidos reales la viscosidad produce la adherencia del fluido a los bordes sólidos. Esto hace que las capas del fluido cercanas disminuyan su velocidad y retarden el escurrimiento de las otras capaz. Si la viscosidad es importante, o bien el número de Reynolds del escurrimiento es bajo, la influencia de las paredes puede comprometer a todo el flujo. Si los efectos de la viscosidad son bajos en comparación a las fuerzas de inercia, el efecto de las paredes es apreciable sólo en la zona cercana a ella.
Este hecho condujo a que Ludwig Prandtl planteara que en muchos casos los escurrimientos de fluidos viscosos pueden ser analizados dividiendo el espacio en dos regiones. Para ello propuso la idea de capa límite.
La idea de la capa límite es separar la zona cercana a las paredes donde los efectos de la viscosidad son importantes del resto del flujo donde no tiene relevancia. En el interior de la capa límite el flujo puede ser laminar o turbulento y su espesor y desarrollo dependen de las propiedades del flujo, del fluido y de la pared. Cuando el flujo se produce en condiciones de gradientes de presión puede producirse el fenómeno de separación. Este consiste en la aparición de contracorrientes del fluido y la separación del flujo principal de los bordes sólidos, dando origen a una zona de mezcla al interior de la cual se produce una uniformización de presiones. La separación se debe a que las fuerzas viscosas detienen el flujo cerca de las paredes haciendo que las fuerzas de inercia se anulen y dejando el fluido a merced de las fuerzas de presión. De manera que si éstas presentan un gradiente negativo con relación a la dirección del flujo principal, el fluido que se encuentra cerca de la pared tiende a avanzar en esta dirección. La aparición de la separación da origen a la llamada fuerza de arrastre o de forma. Ésta, junto a la fuerza de fricción constituyen la fuerza de arrastre total. Si un cuerpo tiene una forma tal que no produce separación se dice que es aerodinámico, o hidrodinámico.
Fuerza de arrastre: F fricción+ F forma
Donde F fricción= F (esfuerzos de corte en las paredes)
F forma= F (esfuerzos normales sobre la superficie)
En otras palabras, en un fluido real se involucran 2 fuerzas, una debido a la fricción y otra debido a la forma (si es que aparece el fenómeno de separación), denominada fuerza de arrastre.
Se entiende como fuerza de arrastre a la fuerza que el flujo ejerce en el cuerpo en la misma dirección del flujo.
Para disminuir las fuerzas de arrastre sobre cuerpos que deben moverse en un fluido se debe evitar que se produzca separación tratando de mantener las líneas de corriente en contacto con la superficie del cuerpo
Finalmente se puede presentar el coeficiente de arrastre como:
Donde A corresponde al área proyectada, y Fd es la fuerza de arrastre.
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