¿Por qué los aviones no son como pelotas de golf?

Question

Ok esta es una pregunta tonta pero aquí va

Aunque es bueno tener un flujo laminar del aire alrededor del objeto para una baja resistencia, el flujo laminar es propenso al fenómeno llamado separación (suena como ruptura) que aumenta drásticamente la resistencia del objeto. Por otro lado, el flujo turbulento tiene una mayor resistencia alrededor del objeto al principio, pero es menos propenso a la separación en comparación con el flujo laminar, y esta es la razón por la que las pelotas de golf se han introducido en hoyuelos para crear un flujo turbulento controlado para deshacerse de la separación.

Así que mi pregunta es ¿por qué la superficie de los aviones no tienen hoyuelos en ellos, ya que reduciría la resistencia en el avión y por lo tanto el consumo de combustible, o el efecto que reduce la resistencia en el caso de la pelota de golf falla a mayor velocidad y mayor tamaño o es otra cosa?

Answer 1

Muy buena pregunta. La resistencia debida a los efectos viscosos puede dividirse en dos componentes:

$$D = D_f + D_p$$

donde $D$ es la resistencia total debida a los efectos viscosos, $D_f$ es la resistencia debida al rozamiento de la piel, y $D_p$ es el arrastre debido a la separación (arrastre por presión).

La ecuación anterior demuestra uno de los compromisos clásicos de la aerodinámica. Como mencionas, las capas límite laminares reducen la resistencia por fricción superficial, pero son más propensas a la separación del flujo. Las capas límite turbulentas tienen una mayor fricción superficial pero resisten la separación del flujo.

$$D \quad\quad\quad=\quad\quad\quad D_f \quad \quad\quad+ \quad\quad \quad D_p\quad\quad\quad\quad\quad$$ $$\quad\quad\text{less for laminar}\quad\quad\text{more for laminar}$$ $$\quad\quad\text{more for turbulent}\quad\quad\text{less for turbulent}$$

En términos generales, cuanto más "romo" sea el cuerpo (como una pelota de golf), más probabilidades habrá de reducir la resistencia añadiendo hoyuelos para disparar la capa límite. Las alas de los aviones son menos propensas a la separación, ya que no son tan "romas" y, como resultado, la resistencia por fricción de la piel es más importante.

Para más información, consulte el apartado 4.21 de Introducción al vuelo por John D. Anderson

EDITAR:

Las capas límite laminares y turbulentas son fundamentalmente diferentes en muchos aspectos, pero el aspecto importante para la separación del flujo es lo "lleno" que está el perfil. La figura siguiente es un esquema en el que se compara el perfil de velocidad media de una capa límite turbulenta con el de una laminar. $V$ es la velocidad tangente a la superficie y $\eta$ es la distancia a la superficie. Como puedes ver, para las capas límite turbulentas, el fluido cerca de la pared se mueve más rápido que para el perfil laminar.

Lo que hace que el flujo se separe es un gradiente de presión adverso, o $dp/dx < 0$ donde $x$ es la coordenada a lo largo de la superficie. Generalmente, el fluido se desplaza de alta a baja presión. En el caso de una capa límite que está a punto de separarse, el flujo es localmente pasando de baja a alta presión. La figura siguiente ilustra el efecto que esto tiene en la capa límite. Cuando el flujo cerca de la pared empieza a invertirse, el flujo está empezando a separarse. Debido a que el fluido en una capa límite turbulenta cerca de la superficie se mueve más rápido, una capa límite turbulenta es más capaz de resistir un gradiente de presión adverso que una capa límite laminar.

La mayoría de los objetos diseñados teniendo en cuenta la aerodinámica son delgados. Esto se hace específicamente para reducir el gradiente de presión adverso ( $dp/dx$ ) sobre la superficie del objeto y reducir la posibilidad de separación del flujo.

Las cifras proceden de Fundamentos de aerodinámica por John D. Anderson.

Answer 2

Esta podría ser una versión más sencilla de las respuestas anteriores. La resistencia total es la suma de la resistencia por fricción superficial y la resistencia por forma (resistencia por presión). Aproximadamente el 90% de la resistencia de una esfera lisa es resistencia por presión y el resto es resistencia por fricción. Poner hoyuelos en la superficie aumentará la resistencia por fricción pero reducirá la resistencia por presión al tener la capa límite turbulenta más adherida antes de la separación. Por lo tanto, la pérdida por el aumento de la fricción es mínima en comparación con la ganancia por la disminución de la resistencia a la presión. En el caso de la forma aerodinámica, la resistencia por fricción es aproximadamente el 90% de la resistencia total debido a la resistencia por forma ya optimizada. La adición de hoyuelos en dicha forma sólo aumentará la resistencia total.

Answer 3

Los aviones ya utilizan diferentes medios para inducir el flujo turbulento dentro de la capa límite. Algunos aviones tienen instalados a lo largo del borde de ataque generadores de vórtices. Estas pequeñas lengüetas verticales divergen y convergen ángulos en un patrón de zigzag. La capa límite energizada es entonces menos propensa a la separación en ángulos de ataque más altos. Esto permite al avión volar más despacio y generar más sustentación a menor velocidad que sin los generadores.

Answer 4

La formación de hoyuelos en las superficies de los aviones no reducirá la resistencia aerodinámica porque el flujo de aire no se separa (en condiciones normales) de la superficie como lo hace en la parte posterior de una pelota de golf en vuelo. Los hoyuelos minimizan la separación del flujo de aire. Creo que una superficie superior del ala con hoyuelos podría ser beneficiosa en un avión STOL en el que la sustentación es prioritaria sobre la resistencia: la superficie con hoyuelos podría reducir la velocidad de pérdida y permitir que el ala produjera sustentación con un ángulo de ataque mayor.

Answer 5

Los cazadores de mitos pusieron hoyuelos en un coche y midieron el mpg antes y después y encontraron un aumento significativo en la eficiencia de combustible con los hoyuelos. Estéticamente, sólo unos pocos golfistas exagerados comprarían un coche así.