¿Por qué un perfil aerodinámico tiene forma de lágrima?

Entiendo la razón por la que los perfiles aerodinámicos están combados en la parte superior: para crear sustentación. Pero uno supondría que esto daría como resultado que las alas de los aviones tuvieran un diseño en forma de semicírculo. ¿Por qué la sección transversal de un perfil aerodinámico recuerda más a una lágrima de costado y se corta horizontalmente? ¿Por qué la parte delantera es más gruesa que la trasera?

Tener un camino más largo para el aire sobre la parte superior del ala en realidad no es tan importante. La parte importante es tener el ala en ángulo con el flujo de aire. La lágrima es para facilitar que el aire gire en la esquina alrededor del borde de ataque del ala, pero dificulte doblar la esquina en el borde de fuga. Esta página tiene una buena explicación: av8n.com/how/htm/airfoils.html#sec-airfoils
@RickyTensor, creo que hay un detalle más: un borde de ataque delgado como una navaja sería mejor que un borde de ataque redondeado si el aire siempre golpeara el ala en el ángulo de ataque perfecto, pero se detendría prácticamente en cualquier otro ángulo. El borde de ataque redondeado ofrece más resistencia, pero funciona sin cambios bruscos en un rango significativo de ángulos de ataque.
@SteveSummit Oh, entiendo completamente que el argumento de igual tiempo es incorrecto
Vale la pena considerar que una lágrima (o mejor, una gota de lluvia) se define como lo que le sucede al agua cuando la pones en una corriente de aire que fluye.
@foobarbecue De hecho, pensé en eso, pero no veo cómo podría usarse en este escenario. forma de lágrima, entonces las fuerzas de arrastre serían aerodinámicas?
En realidad, la forma de una gota de lluvia no es lo que la mayoría de la gente piensa que es. física.stackexchange.com/q/231756/313822
@RickyTensor El ángulo de ataque también es la variable incorrecta. La pregunta clave es cuánto aire se mueve hacia abajo a qué velocidad después de que la lámina de aire haya pasado. Eso significa que los ángulos del borde trasero determinan mucho más la cantidad de sustentación porque dictan el ángulo en el que el aire sale del perfil aerodinámico. La cantidad de aire que se mueve hacia abajo está controlada principalmente por la longitud de la sección transversal del ala. El ángulo de ataque solo es útil después de que te hayas decidido por una forma de ala fija, precisamente porque se suma a los ángulos del borde de fuga.

Respuestas (1)

La forma aerodinámica está optimizada para dos características

Maximización del coeficiente de sustentación C L solo, como dijiste, exigiría una forma de semicírculo, como esta:
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Minimizar el coeficiente de arrastre C D solo exigiría una forma similar a una lágrima (con un extremo frontal redondo y un extremo posterior delgado. Vea el cuerpo aerodinámico en la imagen a continuación.

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(imagen de Wikipedia - Coeficiente de arrastre )

Al juntar estos dos requisitos, se llega a la forma típica del perfil aerodinámico, que es una especie de compromiso entre el semicírculo y las formas de lágrima de arriba. (imagen de Wikipedia - perfil aerodinámico )
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También hubo mucha investigación práctica (por ejemplo, medir cosas en túneles de viento) que se utilizó para determinar las formas óptimas de las superficies aerodinámicas para condiciones particulares. Véase, por ejemplo, perfiles aerodinámicos NACA (el predecesor de la NASA): en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil
¿Por qué la forma de lágrima es tan aerodinámica?
@JamesDavis Creo que es porque la cola delgada evita las turbulencias. Ver aquí _
Tengo curiosidad: ¿existe una expresión matemática más explícita para la forma idealizada del perfil aerodinámico que usted describe, incluso si no es una "forma cerrada" en términos de algunas funciones más generales, al menos como una suma infinita?
@The_Sympathizer: si está dispuesto a asumir "sin turbulencia", me imagino que hay una ecuación diferencial impía que puede intentar resolver, en cuyo punto tendrá una superficie aerodinámica de vaca esférica que en realidad no funciona. Si admite que la turbulencia existe, entonces es un problema realmente difícil.
@The_Sympathizer No existe una forma de perfil aerodinámico "ideal" ya que cada perfil aerodinámico es una compensación. Un planeador tiene una familia de superficies aerodinámicas preferidas diferente en comparación con un avión comercial que, de nuevo, tiene una familia de superficies aerodinámicas preferidas diferente en comparación con un avión ligero lento. Eliges perfiles aerodinámicos en función de la misión que necesita hacer. Existe una ecuación que se puede aplicar como campo para determinar el comportamiento de cualquier objeto en un fluido: la ecuación de Navier-Stokes.
@The_Sympathizer ... los diseñadores modernos de superficies aerodinámicas usan herramientas como XFLR5 para aplicar la ecuación de Navier-Stokes a objetos 3D (dinámica de fluidos computacional) para caracterizar el comportamiento de las superficies aerodinámicas y luego enviar el resultado a otro programa que modifica un poco la superficie aerodinámica para retroalimentarlo en XLFR5. El perfil aerodinámico mutará aleatoriamente y evolucionará para cumplir con ciertos objetivos de diseño.
@slebetman: Entonces, ¿entonces las dos condiciones dadas en la publicación no definen de manera única ninguna forma en particular? Sí, uno puede diseñar para otros parámetros, pero si preguntamos "¿existe una forma única que, en dos dimensiones, optimice tanto la resistencia como la sustentación cuando está sujeta a un flujo de entrada uniforme?" ¿La respuesta es "sí" o "no" y por qué? ¿Qué otros parámetros deben fijarse para especificar de forma única la forma?
@The_Sympathizer Debe agregar datos adicionales. Debe preguntar "para un ala con una cuerda de 3 m que vuela a 200 km/h, ¿qué forma generaría la mejor relación L/D?" lo que le dará una respuesta diferente a "para un ala con una cuerda de 5 m volando a 900 km/h, ¿qué forma generaría la mejor relación L/D?". La respuesta depende del número de Reynolds en el que opera el ala y el número de Reynolds cambia según la escala (cuerda del ala), la velocidad aerodinámica, la presión del aire, etc.
.. Por supuesto, ningún avión (ni siquiera los aviones de papel) opera a una sola velocidad, por lo que debe comprometerse nuevamente para obtener un avión que funcione bien a velocidades de despegue/aterrizaje y óptimo en crucero. Solo un ejemplo, el perfil aerodinámico para un dorador controlado por radio lanzado en bungee sería diferente del perfil aerodinámico de un planeador controlado por radio remolcado porque el lanzado en bungee necesita reducir aún más la resistencia para obtener una altura de lanzamiento más alta, pero el planeador remolcado puede optimizar para un perfil aerodinámico de mayor sustentación porque el avión remolcador puede soltarlo a cualquier altitud
@The_Sympathizer Aquí están los 4 factores que afectan el número de Reynolds: densidad del fluido (aire), viscosidad del fluido (aire), velocidad del flujo (aire), tamaño del objeto. De los 4, 3 son variables y puede codificar la viscosidad del aire a menos que planee volar también en cosas que no son aire como hidrógeno puro, agua o aceite. Por supuesto, la relación L/D (optimiza tanto la sustentación como la resistencia) es solo uno de los criterios de diseño. Max L/D casi nunca es lo mismo que Max lift (CL Max), por lo que en algunas circunstancias en las que no necesita viajar lejos pero necesita levantar mucho peso, puede elegir CL Max en lugar de Max L/D
@The_Sympathizer Hay una razón por la cual el diseño aerodinámico sigue siendo un arte (o magia negra) en lugar de un proceso mecánico. Nuestras herramientas solo nos dan la capacidad de probar nuestros diseños (podemos hacer trampa usando programación evolutiva) en lugar de hacer el trabajo de diseño por nosotros. Dependemos de la intuición humana y las reglas generales para diseñar un perfil aerodinámico (o incluso un avión completo), luego probamos para ver si es bueno.
Además de los errores en la optimización del diseño señalados por @slebetman, la forma que se da para producir la elevación máxima también es incorrecta, incluso suponiendo un flujo no viscoso. Una forma delgada con superficies superiores e inferiores semicirculares tendría una elevación mayor (al igual que muchas variaciones).
@slebetman: Gracias. Su primer comentario responde a mi pregunta (negativamente). Probablemente la respuesta se beneficiaría de incluir parte de esta información y en comentarios posteriores.
¿Por qué un perfil aerodinámico tiene forma de lágrima?
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