Aquí en la Tierra, tendemos a dar por sentada la resistencia del aire (también conocida como «arrastre»). Asumimos que cuando lanzamos una pelota, lanzamos un avión, desorbitamos una nave espacial o disparamos una bala de una pistola, el acto de viajar a través de nuestra atmósfera lo hará naturalmente más lento. Pero, ¿cuál es la razón de esto? ¿Cómo es posible que el aire frene un objeto, ya sea en caída libre o en vuelo?

Debido a nuestra dependencia de los viajes aéreos, a nuestro entusiasmo por la exploración espacial y a nuestra afición por los deportes y por hacer que las cosas vuelen por el aire (incluidos nosotros mismos), la comprensión de la resistencia del aire es clave para entender la física, y una parte integral de muchas disciplinas científicas. Como parte de la subdisciplina conocida como dinámica de fluidos, se aplica a los campos de la aerodinámica, la hidrodinámica, la astrofísica y la física nuclear (por nombrar algunos).

Definición:

Por definición, la resistencia del aire describe las fuerzas que se oponen al movimiento relativo de un objeto cuando pasa por el aire. Estas fuerzas de resistencia actúan de forma opuesta a la velocidad del flujo que se aproxima, frenando así el objeto. A diferencia de otras fuerzas de resistencia, la resistencia aerodinámica depende directamente de la velocidad, ya que es el componente de la fuerza aerodinámica neta que actúa en sentido contrario a la dirección del movimiento.

Otra forma de decirlo sería decir que la resistencia aerodinámica es el resultado de las colisiones de la superficie de ataque del objeto con las moléculas de aire. Por lo tanto, se puede decir que los dos factores más comunes que tienen un efecto directo sobre la cantidad de resistencia del aire son la velocidad del objeto y el área de la sección transversal del objeto. Ergo, tanto el aumento de la velocidad como el del área de la sección transversal resultarán en un aumento de la resistencia del aire.

En términos de aerodinámica y vuelo, la resistencia se refiere tanto a las fuerzas que actúan de forma opuesta al empuje, como a las fuerzas que actúan de forma perpendicular a éste (es decir, la sustentación). En astrodinámica, la resistencia atmosférica es una fuerza tanto positiva como negativa, dependiendo de la situación. Constituye tanto una pérdida de combustible y eficiencia durante el despegue como un ahorro de combustible cuando una nave espacial está regresando a la Tierra desde su órbita.

Cálculo de la resistencia del aire:

La resistencia del aire suele calcularse mediante la «ecuación de arrastre», que determina la fuerza experimentada por un objeto que se mueve a través de un fluido o gas a una velocidad relativamente grande. Se puede expresar matemáticamente como:

En esta ecuación, FD representa la fuerza de arrastre, p es la densidad del fluido, v es la velocidad del objeto con respecto al sonido, A es el área de la sección transversal y CD es el coeficiente de arrastre. El resultado es lo que se denomina «resistencia cuadrática». Una vez determinado esto, el cálculo de la cantidad de potencia necesaria para superar la resistencia implica un proceso similar, que se puede expresar matemáticamente como:

Aquí, Pd es la potencia necesaria para vencer la fuerza de arrastre, Fd es la fuerza de arrastre, v es la velocidad, p es la densidad del fluido, v es la velocidad del objeto con respecto al sonido, A es el área de la sección transversal y Cd es el coeficiente de arrastre. Como muestra, las necesidades de potencia son el cubo de la velocidad, por lo que si se necesitan 10 caballos de potencia para ir a 80 km/h, se necesitarán 80 caballos para ir a 160 km/h. En resumen, duplicar la velocidad requiere aplicar ocho veces la cantidad de potencia.

Tipos de resistencia del aire:

Hay tres tipos principales de resistencia en la aerodinámica: la inducida por la elevación, la parasitaria y la ondulatoria. Cada una de ellas afecta a la capacidad de un objeto para mantenerse en el aire, así como a la potencia y el combustible necesarios para mantenerlo. La resistencia inducida por la sustentación (o simplemente inducida) se produce como resultado de la creación de sustentación en un cuerpo de elevación tridimensional (ala o fuselaje). Tiene dos componentes principales: la resistencia por vórtices y la resistencia viscosa inducida por la sustentación.

Los vórtices se derivan de la mezcla turbulenta de aire de presión variable en las superficies superior e inferior del cuerpo. Estos son necesarios para crear la sustentación. A medida que aumenta la sustentación, también lo hace la resistencia inducida por la sustentación. En el caso de un avión, esto significa que a medida que el ángulo de ataque y el coeficiente de sustentación aumentan hasta el punto de entrada en pérdida, también lo hace la resistencia inducida por la sustentación.

Por el contrario, la resistencia parásita se produce al mover un objeto sólido a través de un fluido. Este tipo de arrastre está formado por múltiples componentes, que incluyen el «arrastre de forma» y el «arrastre por fricción de la piel». En la aviación, la resistencia inducida tiende a ser mayor a bajas velocidades porque se requiere un ángulo de ataque elevado para mantener la sustentación, por lo que a medida que aumenta la velocidad esta resistencia es mucho menor, pero la resistencia parásita aumenta porque el fluido fluye más rápido alrededor de los objetos que sobresalen aumentando la fricción. La curva de resistencia global combinada es mínima a algunas velocidades del aire y estará en o cerca de su eficiencia óptima.

La resistencia a las olas (resistencia a la compresión) se crea por la presencia de un cuerpo que se mueve a gran velocidad a través de un fluido compresible. En aerodinámica, la resistencia a las ondas consta de múltiples componentes dependiendo del régimen de velocidad del vuelo. En el vuelo transónico -a velocidades de Mach 0,5 o superiores, pero todavía inferiores a Mach 1,0 (también conocida como velocidad del sonido)- la resistencia a las ondas es el resultado del flujo supersónico local.

El flujo supersónico se produce en cuerpos que viajan muy por debajo de la velocidad del sonido, ya que la velocidad local del aire sobre un cuerpo aumenta cuando se acelera sobre él. En resumen, los aviones que vuelan a velocidades transónicas suelen incurrir en la resistencia a las ondas como resultado. Esto aumenta a medida que la velocidad del avión se acerca a la barrera del sonido de Mach 1,0, antes de convertirse en un objeto supersónico.

En el vuelo supersónico, la resistencia a las ondas es el resultado de las ondas de choque oblicuas que se forman en los bordes de ataque y de salida del cuerpo. En cambio, en los flujos altamente supersónicos se forman ondas de proa. A velocidades supersónicas, la resistencia ondulatoria se suele dividir en dos componentes: la resistencia ondulatoria dependiente de la sustentación supersónica y la resistencia ondulatoria dependiente del volumen supersónico.

Entender el papel que desempeñan las fricciones del aire en el vuelo, conocer su mecánica y saber qué tipo de potencia se necesita para superarlas, es crucial cuando se trata de la exploración aeroespacial y espacial. Conocer todo esto también será crítico cuando llegue el momento de explorar otros planetas de nuestro Sistema Solar, y en otros sistemas estelares en general!

Hemos escrito muchos artículos sobre la resistencia del aire y el vuelo aquí en Universe Today. Aquí hay un artículo sobre ¿Qué es la velocidad terminal?, ¿Cómo vuelan los aviones?, ¿Qué es el coeficiente de fricción? y ¿Qué es la fuerza de la gravedad?

Si quieres más información sobre los programas de aviones de la NASA, echa un vistazo a la Guía para principiantes de la aerodinámica, y aquí hay un enlace a la ecuación de la resistencia aerodinámica.

También hemos grabado muchos episodios relacionados de Astronomy Cast. Escuche aquí el episodio 102: Gravedad.