Principios de aerodinamica

¿Qué es la aerodinámica?

La aerodinámica es un amplio campo de estudio que describe el estudio de la dinámica del aire que incluye su movimiento y su interacción con objetos y materiales. Podemos pensar la aerodinámica como un tipo de dinámica de gases por los conceptos que se estudian en aerodinámica.

Algunos de los conceptos que se estudian en esta son:

Leyes de conservación de la energía, masa y momento

Clasificación de fluidos. Para cada fluido que se estudie, sea gas o líquido, se presenta distintas características como viscosidad, compresibilidad.

Asunción de continuidad. Es una asunción que ignora que los gases están compuestos por un numero discreto de partículas y lo considera como una entidad continua. Esto simplifica las ecuaciones y modelos en los calculos aerodinámicos.

Fluido o gas. Existe la noción de que el aire se puede modelar como fluido o gas, las dinámicas pueden ser muy similares en ambas

¿Cuáles son los principios fundamentales de la aerodinámica?

Mecánica de fluidos continuos.

El aire no es un flujo continuo, pero fluye como si fuera uno, sobre todo cuando no se imaginan escenarios como gran altitud u ondas de choque.

En relación a la cinemática, la velocidad es un campo de vector continuo, lo cual delimita las leyes de la cinemática que deben de ser obedecidas.

En relación a la dinámica, se representan por las ecuaciones Navier-Stokes.

En relación al momento, tenemos la segunda ley de Newton. F=ma

Termodinámica clásica para establecer un balance de energía y la ecuación de la energía.

En general se utilizan estrictamente conceptos de la física clásica, no hay elementos cuánticos

Para entender el tema de aceleración de los fluidos que tiene que ver con el empuje, tomamos en cuenta la segunda ley de Newton

La aerodinámica es en si una ciencia bien parada en suelo firme, aun así tiene un carácter de personalidad múltiple en relación a si es inductiva o deductiva.

Por un lado cuenta con las ecuaciones Navier-Stokes como su teoría estelar, bien atadas sólidamente al resto de las teorías físicas modernas y a partir de la cual podemos deducir en la mayoría de los casos los principios fundamentales.

Por otro lado, lo intricado y espinoso de los cálculos computacionales de las ecuaciones limita grandemente lo que podamos deducir sobre los principios fundamentales en la mayoría de las ocasiones, de ahí que mucho de lo que se conoce proviene de observaciones empíricas, he ahí su lado inductivo.

El marco teórico físico actual consiste en mecánica Newtoniana y termodinámica clásica combinado con formalismos matemáticos que nos permite llevar registro de propiedades de materiales, fuerzas y flujos en materiales continuos. Por lo tanto, cuando aplicamos el marco teórico correctamente, nos ceñimos a una visión del mundo Newtoniana, en donde todos los efectos tienen una causa y deben ser consistentes con principios científicos Newtonianos o postnewtonianos.

En caso de surgir algunos errores en razonamiento aerodinámico, podemos rastrearlos hasta regresiones en formas de pensamiento prenewtonianas.

Las ecuaciones Navier-Stokes nos proveen casi la totalidad de la teoría física de gran exactitud para predecir prácticamente cualquier fenómeno de interés en aerodinámica, incluyendo flujo “aerodinámico” de líquidos como el agua.

La formulación Navier-Stokes puede ser derivada formalmente por física de un nivel mas bajo simplificando hipótesis y deshaciéndonos de los detalles. En el caso de gases, el nivel apropiado mas próximo del cual empezar es la descripción estadística de movimiento molecular y las leyes de la conservación que aplican a esta plasmadas en las ecuaciones de Boltzman.

Para gases tenemos que asumir que el fluido se encuentra en todo lugar casi en equilibrio termodinámico localmente.

Las principales relaciones que constituyen las ecuaciones Navier-Stokes son las leyes de la conservación para masa, momento y energía. Para tener un set completo de ecuaciones necesitamos ademas una ecuación de estado que relacione temperatura, presión, densidad y formulas que definan las otras propiedades de los gases requeridas.

Para aplicaciones aerodinámicas usualmente una buena aproximación es asumir la ley de los gases ideales junto a una tasa constante de calor especifico (γ) y coeficientes de viscosidad y conductividad térmica (μ y k) dependientes unicamente de la temperatura.

El modelo físico completo consiste en las ecuaciones Navier-Stokes combinadas con condiciones de frontera de no-deslizamiento y no-salto de temperatura. El rango de aplicación de esta formulación es muy amplio y solo existen algunas aplicaciones de interés practico aerodinámico donde no aplican. Como ejemplos podemos citar flujo de gas

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