¿Cómo se produce la succión?

Question

Hace un tiempo estaba estudiando los coeficientes de arrastre (o coeficientes de presión, como los llamamos en el contexto de las cargas de viento en la ingeniería estructural) y me preguntaba cómo pueden ser más de 1, por ejemplo un pequeño cilindro puede tener un coeficiente de arrastre de 1,15 según la Wikipedia. Esto me parecía extraño, ya que la presión sobre una superficie se debe a que la presencia de la superficie hace que el fluido en movimiento se detenga, por lo que se aplica una fuerza al fluido, que a su vez provoca una presión sobre la superficie según la tercera ley de Newton. Wikipedia explica que, para una presión positiva, un coeficiente de arrastre de 1 significaría que todo el fluido que llega a la parte delantera de la superficie es llevado al reposo, por lo que todo el impulso del fluido se transfiere al objeto. En las superficies reales, una parte del fluido "escapa" por los lados del objeto, continuando su movimiento hacia delante, manteniendo su momento. Por lo tanto, no todo el momento del fluido se transfiere al objeto y el coeficiente de arrastre es inferior a 1. Así que esto significaría que para un coeficiente de arrastre superior a 1, ¡necesitaríamos un impulso extra de alguna parte!

La explicación (de Wikipedia) radica en que hay succión al otro lado del objeto, por lo que la presión total puede ser mayor que el momento que el fluido transfiere al objeto. Tengo curiosidad, ¿cómo funciona este mecanismo? ¿Cómo provoca el fluido en movimiento la succión en el otro lado del objeto? Una cosa que se me ocurre es que el fluido que se escapa por los lados del objeto empieza a fluir hacia la parte trasera del objeto en vez de hacia delante, por lo que se frena el fluido y para conservar el impulso, tiene que haber más fuerza hacia el objeto, pero esto sólo haría que el coeficiente más cerca a la 1, no sobre ella.

Answer 1

En resumen, este efecto de "succión" tiene que ver realmente con el hecho de que es posible que la presión que rodea a un objeto sea menor en algunas regiones que la presión "ambiental" lejos del objeto. Entonces, ¿cómo podemos demostrar que eso ocurre?

Tenemos dos vías:

1. Podemos intentar ignorar las pérdidas viscosas y suponer que el fluido conserva el momento en todas partes. Esto tiene un problema: en este tipo de flujos, la idea de que el fluido se detiene completamente en la superficie del objeto es incompatible con el hecho de ignorar las pérdidas viscosas. En el caso de un flujo que pasa por una esfera, por ejemplo, se observa que las regiones de la esfera que tienen una presión menor que la ambiental son las de la parte superior e inferior de la esfera, pero también se observa que la velocidad en esos lados de la esfera no sólo no es nula, sino que es mayor que la velocidad ambiental. Se puede intuir esto a partir de un argumento de conservación de la masa; imaginemos que el flujo considerado estuviera dentro de una enorme tubería invisible, y que la esfera fuera un obstáculo dentro de ella. El flujo debería tener que acelerar para que el flujo de masa sea constante, y ese aumento de velocidad está relacionado con la caída de presión en los lados que lleva a un $>1$ coeficiente de arrastre.

2. Podemos tratar de considerar flujos en los que dominan las fuerzas viscosas, y el único intercambio de momento en el fluido se produce entre las tensiones viscosas y la presión. Aquí no tenemos demasiados argumentos intuitivos -no podemos utilizar a Bernoulli- pero en estos flujos, la presión cae inequívocamente cerca de las caras "traseras" de un objeto sumergido, provocando el efecto de "succión" al que se refiere tu enlace. Esta es una de las razones por las que $>1$ Los coeficientes de arrastre aparecen sobre todo en el extremo inferior de los gráficos de coeficientes de arrastre; es entonces cuando dominan las fuerzas viscosas, y las presiones manométricas negativas aparecen detrás de los objetos sumergidos.

En realidad, es una mezcla de ambos; y cuál de ellos se aplica más depende del contexto del flujo en cuestión, especialmente del número de Reynolds.