La aerodinámica es la parte
de la mecánica que se encarga de estudiar el movimiento relativo entre un sólido y el fluido gaseoso (generalmente aire) que lo
rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar. Abarca diferentes rangos de velocidades, dependiendo de si la velocidad del elemento objeto de estudio está por debajo o por encima de la velocidad del sonido en el aire. En este campo son aplicables los mismos
principios aerodinámicos que permiten a un avión volar, con la única diferencia de que el perfil aerodinamico del móvil ha de producir una fuerza resultante hacia el suelo, fuerza de adherencia, en lugar de una fuerza de sustentación hacia arriba.
Modelo y fuerzas
Cuando un sólido interactúa con el aire, en las moléculas del aire
próximas al mismo se produce una distorsión, comenzando a moverse
alrededor del sólido. El aire cambia de forma, fluyendo alrededor del sólido y
manteniendo un contacto físico en todos sus puntos. Por ello, el “punto de
contacto” de las fuerzas aerodinámicas generadas son todos y cada uno de los
puntos de la superficie del cuerpo. La magnitud de dichas fuerzas va a
depender tanto del aire como del sólido, en nuestro caso la bicicleta. Dos son las
propiedades fundamentales del aire a tener presentes: su viscosidad y su densidad o, lo
que es lo mismo, su compresibilidad(materias vistas en clases). En el caso de la bicicleta
ha de considerarse su forma, su rugosidad superficial, el área de contacto con el aire y,
sobre todo, la velocidad relativa entre éste y el aire. Todo esto se traduce en que,
sobre cada punto de la superficie del automóvil, estén presentes un par de fuerzas,
una fuerza de presión, normal a la superficie del cuerpo, debido a la velocidad relativa entre ambos, y una fuerza de rozamiento, tangente a la
superficie del cuerpo, debida a la viscosidad del aire.
Fuerzas de presión
En todo fluido existen tres tipos de energía: la potencial (por cota o altura), la cinética
(por velocidad) y la de presión; y, además, sabemos que en todo proceso la cantidad
total de energía ha de conservarse, es decir, la suma de esas tres energías ha de
permanecer constante. Esto permitió establecer el Principio de Bernoulli (Daniel
Bernoulli, Groningen 1700-Basilea 1782), que viene a decir que en un fluido en
movimiento la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera
permanece constante, por lo que si se aumenta la velocidad disminuye la presión,
y a la inversa. Lo cual es sumamente interesante, pues permite establecer una
distribución de presiones a partir de una distribución de velocidades y viceversa.
Si sumamos todas las fuerzas de presión que actúan sobre los diferentes elementos
de superficie obtenemos, como resultante, una fuerza neta total, que estará aplicada
en un punto imaginario, denominado centro de presiones. Si establecemos la
dirección de movimiento del fluido (o automóvil) y descomponemos esa fuerza
neta en dos componentes, en la dirección de dicho movimiento y en su
perpendicular, tenemos que la primera de esas componentes, llamada fuerza de
arrastre (arrastre inducido) se opone al avance del vehículo y la segunda, llamada
fuerza de adherencia o sustentación, hace que el vehículo se adhiera o tenga
tendencia a separarse del suelo.
Fuerzas de rozamiento
Si sumamos todas las fuerzas de rozamiento que actúan en los diferentes elementos de
superficie obtenemos una resultante total, aplicada en dicho centro de presiones. Si la
descomponemos en las dos direcciones anteriores, obtenemos en la dirección de
movimiento del fluido una fuerza tambien denominada como fuerza de arrastre
que se opone al desplazamiento del vehículo. La resultante en la dirección
normal suele ser despreciable, pues si el vehículo presenta cierta simetría suelen ir
compensándose las de un punto con las del punto opuesto.
En resumen, la fuerza de arrastre es la componente
de alguna fuerza que actua sobre nuestro movil
la que se opone al movimiento.
En esta figura las flechas indican la direccion del flujo, se puede notar como cambian su sentido desde el punto S.
