¿A qué velocidad genera el viento el calentamiento de un objeto debido al arrastre, haciendo que el objeto se caliente más que la temperatura ambiente?

¿A qué velocidad genera el viento el calentamiento de un objeto? Digamos que estoy afuera a 0°F. ¿Qué tan rápido tiene que ser el viento para elevar la temperatura de mi piel expuesta a 40°F? ¿Sería esa velocidad del viento tan alta que arrancaría el tejido blando dejando solo un esqueleto? Si es así, apliquemos esto a un poste de acero grueso, por ejemplo. Supongo que hay ecuaciones que tratan con la densidad del aire y la humedad como variables.

Respuestas (2)

En realidad no hay una ecuación. Este es un problema complejo de dinámica de fluidos que incluye arrastre y calentamiento adiabático por el efecto del ariete y extremadamente complejo calentamiento por fricción y calentamiento por compresión y balance de fluidos y convección e incluso conducción de calor hacia el núcleo del polo desde su superficie y a lo largo de su eje dependiendo sobre la condición de contorno. Se utilizaría la dinámica de fluidos computacional (CFD) para modelarlo. La "rugosidad relativa" del poste será importante para la fricción. Podría modelarse si se conocen la rugosidad y el material del polo (para el calor específico y el coeficiente de conducción del material) y la condición límite (y, por supuesto, la velocidad y la presión atmosférica del aire). He hecho suficiente CFD para adivinar que sí, lo destrozaría mucho antes de hacer algo cercano a ese nivel de calentamiento. Puede buscar en Google la ecuación de Navier Stokes para ver cómo CFD maneja el problema del flujo de aire, pero luego se debe agregar el balance de calor. Por cierto, gran parte dependería de qué tan rápido ese aire embestido podría "quitarse del camino" y no acumularse y calentarse mucho antes de pasar. Allí habrá un volumen de alta presión y baja velocidad.

Hay ecuaciones con constantes empíricas para la cantidad de arrastre, pero el arrastre no se debe solo a la fricción. Incluso un modelo de un gas con viscosidad cero y, por lo tanto, sin fricción genera arrastre, así como el calor de la compresión, es mucho más complejo que simplemente encontrar la fuerza de arrastre multiplicada por la velocidad del polo (un polo en movimiento en aire quieto es lo mismo como un polo inmóvil en el aire en movimiento), porque de nuevo cero fricción no significa cero arrastre ni calor. El gas también tendrá efectos rotacionales, pero algunos modelos asumen que son irrotacionales. Las cuestiones de dinámica de fluidos suelen ser muy complejas incluso sin cuestiones de calentamiento.

Tal vez sea mejor imaginar una roca que cae y que su velocidad se ve amortiguada por la fricción y el calentamiento en el proceso.

Siempre que se amortigua la velocidad de un objeto, su energía cinética k tiene que ir a algún lado. Algunos de esta k va al aire, parte de él calienta el cuerpo. Digamos, por ejemplo, que la mitad de k calienta el cuerpo. Entonces tendrías que saber la capacidad calorífica del cuerpo. C v para calcular su cambio de temperatura. La capacidad calorífica te dice cuánta energía necesitas por unidad de volumen de dicho objeto para calentarlo 1 unidad de temperatura.