¿Por qué las pelotas de golf tienen hoyitos?

TRABAJO DE INDAGACIÓN MECANICA DE FLUIDOS AMBIENTAL

José Joaquín Torres, Valentina Paredes B.

Recibido: 10 noviembre 2017

¿Por qué las pelotas de golf tienen hoyitos?

Un cuerpo que este inmerso en un flujo experimenta una fuerza resultante debido a la acción entre el flujo y el cuerpo. Esta es la fuerza resultante de los esfuerzos de corte en la pared del cuerpo (τw) y de los esfuerzos normales a la superficie. La resultante de las fuerzas en dirección horizontal se denomina Arrastre (D) y las fuerza con dirección vertical se denomina Empuje o sustentación (L).  (C. Gherardell, 2007).[pic 2]

Figura 1. Resultante de fuerzas horizontal y vertical sobre un perfil alar. Fuente: C. Gherardell, 2007.

La magnitud de estas fuerzas dependerá de la forma que tome el flujo alrededor del cuerpo y por lo tanto de la forma del cuerpo, de las condiciones del flujo y de la posición relativa del cuerpo con respecto al flujo. El arrastre es la fuerza ejercida por el fluido en dirección contraria a la fuerza que ejerce el cuerpo en movimiento. Es decir, es una fuerza que el fluido opone, contrarrestando el movimiento de un cuerpo. Este fenómeno puede ser observado cotidianamente en cualquier medio de transporte, dado que éstos se desplazan inmersos en fluidos. Sustentación es la fuerza ocasionada por el fluido en dirección perpendicular a la dirección del movimiento del cuerpo. Su aplicación más importante se encuentra en el diseño de partes de aviones y aeronaves, particularmente en las alas, llamadas aeroplanos. Al estudio de las fuerzas en cuerpos en movimiento inmersos en aire y otros gases se la llama aerodinámica. (Ricardo Fuentes, 2010)

Para un flujo laminar que pasa por una esfera, el flujo se separa muy pronto, como se muestra en la figura 2. Sin embargo, para un flujo turbulento, la separación se retrasa, como puede verse en la figura 3. Se puede observar la diferencia en el tamaño de la región de separación tras las esferas. La región de separación en el caso de turbulencia es mucho menor que en el caso laminar. Cuanto mayor sea la región de separación del caso laminar, mayor resistencia de presión habrá en la esfera. El flujo turbulento tiene más energía que el laminar, y, por tanto, el flujo permanece unido más tiempo. (Aerospace, 2005).[pic 3][pic 4]

Figura 2. Esfera para un flujo laminar.

Fuente: Aerospace, 2005

           Figura 3. Esfera para un flujo turbulento. Fuente: Aerospace, 2005

El diseño de las pelotas de golf está enfocado a aumentar la distancia que esta recorrerá, es decir, que permanezca lo más posible en el aire. De ahí que las fuerzas aerodinámicas desempeñen un papel muy importante en el vuelo de este tipo de pelota. Primeramente, se hablará sobre la capa limite. La capa límite se refiere a la capa de aire más cercana a la esfera, que ve su velocidad reducida por fricción con ella. Su espesor es muy pequeño y sin embargo su comportamiento es decisivo. Si nos acercáramos veríamos como la velocidad del aire es tanto menor cuanto más cerca de la esfera, hasta el extremo de llegar a cero justo en la superficie, por contacto a ella. La capa límite se puede desprender al aumentar la velocidad y despegarse prematuramente de la esfera. Cuando eso ocurre, se generan turbulencias en la parte posterior. (C. Gherardell, 2007).

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Figura 4: Capa limite para una esfera. Fuente: Pallicer, 2016.

Hay dos tipos de capas límites: laminar y turbulenta. En la capa límite turbulenta las partículas fluidas tienen mayor cantidad de movimiento que en una capa límite laminar (esto se puede ver en la diferencia entre los perfiles de velocidad existentes en ambas situaciones) y por lo tanto pueden resistir mejor un gradiente de presión adverso y, por lo tanto, resiste mejor la separación. Analizado desde otro punto, si se adelanta la transición a la turbulencia de la capa límite, se retardará la separación de ésta influyendo positivamente en el arrastre (menor) y la sustentación (mayor).  (Florentin, 2017).

En otras palabras, lo que se hace introduciendo hoyuelos en las bolas de golf, es conseguir que no sean lisas y así atrasar la separación del flujo. Es importante saber que esta separación tendrá lugar en un punto u otro, pero nos interesa atrasarla y disminuir el tamaño de la región de flujo separado. La presencia de los hoyuelos hace que la capa límite sea turbulenta, y que así se separe más tarde. En régimen turbulento, la capa límite no se desprende con tanta facilidad en comparación con la capa límite laminar. (Florentin, 2017).

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Figura 4. Pelota de golf sin rotación.

Fuente: Domancic, 2012.

Figura 5. Pelota de golf con rotación

Fuente: Domancic, 2012.

Cuando la pelota está en rotación se genera elevación, ya que por una parte el fluido es acelerado a favor de la velocidad U, disminuyendo la presión en esa sección, y en la sección opuesta el fluido es acelerado en el sentido contrario a U, disminuyendo la velocidad del fluido en esa sección, por lo tanto aumentado la presión, esto crea una fuerza de reacción que genera sustentación (fuerza de lift), en otras palabras esta  fuerza se obtiene como resultado un desprendimiento asimétrico del flujo lo que genera una fuerza ascendente. (Domancic, 2012)

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