¿A qué velocidad un objeto se calienta más al viajar por el aire?

Question

Imagina que lanzamos un pastel caliente a la taza de alguien. Cuando llega a su destino, está un poco menos caliente.

Imagina que el meteorito de Chelyabinsk entra en la atmósfera. Está frío cuando entra, pero rápidamente se calienta y explota violentamente.

¿Pero dónde está la frontera? ¿A qué velocidad un objeto que viaja por la atmósfera deja de perder calor y empieza a ganarlo por la fricción? ¿Una bala disparada por un arma de fuego se enfría o se calienta durante el vuelo?

Answer 1

Los objetos que se mueven en la atmósfera ganan y pierden energía térmica por varios mecanismos.

En primer lugar está el calentamiento por fricción de la piel, que es la conversión de energía cinética en energía térmica debido a la viscosidad del fluido. Esto conduce sobre todo directamente al calentamiento de las capas de fluido cercanas al cuerpo en movimiento.

Para velocidades elevadas, como las de los meteoros que entran en la atmósfera, un efecto más importante es el calentamiento por compresión. Un cuerpo que se desplaza a muchas veces la velocidad del sonido crea una onda de choque por compresión que calienta mucho el aire que tiene delante debido a una compresión muy alta y rápida.

A continuación, se produce la transferencia térmica entre el cuerpo en movimiento y el fluido circundante, que tiene lugar por conducción y radiación. Tenemos un cuerpo a cierta temperatura, un fluido cercano que se ha calentado por viscosidad o compresión y un fluido más alejado que está a temperatura ambiente. Los flujos netos de energía entre estos tres indican cómo cambia la temperatura del cuerpo en movimiento, con lo que, como siempre, el calor fluye de los cuerpos más calientes a los más fríos.

En algunos casos, una cosa domina. Un meteorito que entra en la atmósfera genera una región calentada de gas que está a unos 10.000K (ver ¿Por qué se calientan los meteoritos cuando caen en la atmósfera? ) y esta región comprimida en contacto con el meteoro lo calienta con bastante rapidez.

Por otro lado, lanzar una tarta caliente a través de la habitación se mueve muy lentamente y genera muy poco calentamiento en la atmósfera de baja viscosidad, por lo que el efecto dominante es simplemente que la tarta pierde calor a su alrededor simplemente porque está más caliente. Es posible que se enfríe un poco más rápido que si estuviera inmóvil, porque un pastel inmóvil calienta el aire que lo rodea y crea un gradiente de temperatura que ralentiza su enfriamiento, mientras que un pastel lanzado siempre está dejando gas caliente a su alrededor y moviéndose hacia una región de gas a temperatura ambiente, por lo que mantiene un diferencial de calor ligeramente superior con su entorno.

Para una bala, es difícil de decir. Si estuviera a temperatura ambiente, se calentaría ligeramente al atravesar la atmósfera, ya que su energía cinética se convierte en calor (en la bala y en el aire) por el arrastre. Pero la bala también se calienta por el gas caliente del cañón del arma que la acelera, por lo que probablemente esté a una temperatura ligeramente superior a la del ambiente cuando sale del cañón del arma. Pero, en general, el cálculo de cuánto se calienta la atmósfera circundante (y cómo se distribuye espacialmente ese gas caliente), y cómo fluye el calor entre el cuerpo en movimiento y el fluido circundante, es una cuestión complicada que requiere un modelado detallado, y no da una respuesta fácil y agradable excepto en casos muy simplificados.