Fundamentos de Aerodinámica: Torbellinos, Efecto Magnus y Sustentación

Torbellinos en la Mecánica de Fluidos

Un torbellino es una masa de fluido que gira alrededor de un eje, de forma que la velocidad lineal de cada partícula de fluido es inversamente proporcional a su distancia al centro del eje. La expresión matemática es: Γ = 2π·r·Vr = 2π·k.

Un torbellino se forma cuando entre dos capas de un fluido existe una diferencia de velocidades; es decir, cuando existe una discontinuidad de velocidad entre dos capas fluidas.

Propiedades fundamentales

• Conservan su intensidad.
• Han de cerrarse sobre sí mismos.
• Han de terminar en las superficies libres del fluido.
• Han de prolongarse hasta el infinito.
• No pueden engendrarse ni destruirse.

Efecto Magnus

El Efecto Magnus ocurre cuando superponemos al flujo alrededor de un cilindro otro flujo creado por un torbellino. Esto genera un patrón de flujo con las siguientes características:

• En una mitad del cilindro, la velocidad es a favor de la corriente.
• En la otra mitad, la velocidad es en contra de la corriente.

En la mitad donde la velocidad inducida por el torbellino tiene el mismo sentido que la corriente, las velocidades se suman, provocando una aceleración del flujo. En la otra mitad, donde la velocidad va en contra de la corriente, se desarrolla una disminución de la velocidad del flujo.

Según el principio de Bernoulli, sobre el extradós se producirá una caída de presión mayor respecto a la de corriente libre. En el intradós, la disminución de la velocidad produce una elevación de la presión sobre la corriente libre. Como resultado, aparecerá una fuerza que empuja el cilindro hacia la cara donde se acelera la corriente: L = ρ·V·Γ. Asimismo, se produce una aproximación de los puntos de remanso en la cara donde se frena el flujo.

Sustentación Aerodinámica

La sustentación se define mediante la fórmula: L = Cl · 1/2 · ρ · V² · S = Cl · q · S, donde Cl es un coeficiente adimensional.

El coeficiente de sustentación no es constante; para cada superficie depende del ángulo de ataque con que atraviesa el aire y aumenta de modo proporcional al mismo. El ángulo de ataque máximo se denomina ángulo de ataque crítico, y a partir de ahí, el perfil comienza a entrar en pérdida.

Ley de Continuidad y Principio de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli se aplica tan solo a flujos donde no se produce aportación o disipación de energía:

• Líneas de corriente divergentes: Ilustran un flujo que se desacelera y, como consecuencia, una presión resultante creciente.
• Líneas de corriente convergentes: Ilustran un flujo acelerando, con la consiguiente disminución de presión estática.