¿Por qué las formas aerodinámicas / aerodinámicas son siempre rechonchas en la parte delantera?

Question

Estoy construyendo un barco autónomo, al que ahora le añado una quilla por debajo con un peso en la parte inferior. Me preguntaba sobre la forma que debería tener ese peso. La mayoría de las veces las formas aerodinámicas tienen alguna forma como esta:

La explicación habitual es que la larga cola puntiaguda evita las turbulencias. Lo entiendo, pero no he encontrado una razón para que la parte delantera de la forma sea tan rechoncha. Yo esperaría que una forma como ésta fuera mucho más aerodinámica:

¿Por qué, entonces, las formas que tienen una buena razón para ser aerodinámicas/ hidrodinámicas/ aerodinámicas (alas/submarinos/etc.) siempre tienen más o menos la forma de una gota con un frente rechoncho?

Answer 1

Tiene razón si su barco sólo se desplaza en línea recta.

En la vida real, el movimiento de la embarcación tendrá a menudo un ángulo de guiñada, de modo que se mueve ligeramente "de lado" con respecto al agua. Por ejemplo, es imposible hacer un giro y evitar esta situación.

Si la parte delantera es demasiado afilada, el resultado será que el flujo no podrá "rodear la esquina afilada" para fluir a lo largo de ambos lados de la embarcación, sin crear muchas turbulencias y olas que aumenten la resistencia del barco.

Answer 2

Cualquier especulación sobre qué forma podría ser mejor carece de sentido si no se especifican las condiciones de flujo. En el caso de la quilla de un barco, el principal es el número de Reynolds, un parámetro que es proporcional a la longitud multiplicada por la velocidad.

En la mayoría de las aplicaciones de baja velocidad, un borde de ataque afilado no es lo mejor. Con cualquier incidencia, el flujo tenderá a separarse con demasiada facilidad, pero incluso cuando va en línea recta a través del fluido hay gradientes de velocidad que hay que tener en cuenta. El flujo aumenta y luego disminuye su velocidad a medida que se desplaza a lo largo de la quilla, y la resistencia que esto provoca depende de los detalles del desarrollo de la capa límite viscosa.

La figura siguiente (que he generado utilizando un código de análisis fácilmente disponible) muestra algunas optimizaciones aproximadas de secciones de láminas 2D a varios valores diferentes del número de Reynolds. Las mejores formas a las velocidades más altas (en la parte superior de la figura) tienen radios de borde de ataque más pequeños que las de baja velocidad (en la parte inferior), que son extremadamente romas.

Answer 3

Como se ha mencionado anteriormente, esta forma es más aerodinámica cuando es paralela al campo vectorial (dirección del flujo) en particular. Esta forma se ve a menudo en kayaks y canoas de larga distancia que se mueven en líneas relativamente rectas. Pero esta forma no es ciertamente ideal para cambiar de dirección, ya que la resistencia será mayor que con la primera forma.

Answer 4

Una forma de ver el problema es considerar las presiones sobre la superficie. Las líneas de corriente que se curvan hacia afuera tienden a indicar una alta presión que empuja el agua hacia afuera, las líneas de corriente que se curvan hacia adentro indican una baja presión que atrae el agua hacia adentro.

Una curva reflejada en la parte delantera, como en su segunda imagen, da una alta presión en gran parte de la zona frontal, lo que provoca una gran resistencia. Una curva roma, como la de la primera imagen, proporciona una alta presión sólo en una pequeña zona y una baja presión alrededor de la parte exterior de la parte delantera, lo que hace que la nave se desplace hacia delante. La larga cola trasera reduce la curvatura hacia dentro, y por tanto la succión, que la arrastraría hacia atrás.