1.Què és l'aerodinàmica.
1.Fluid
La matèria es presenta en tres formes o estats diferents: sòlid, líquid y gessos, segons la magnitud de les unions entre molècules, que van des de una unió molt forta en els sòlids, que fa que tinguin un volum definit, fins a una unió tant dèbil en els gasos que fa que el seu volum sigui indefinit, expandint-se fins a avarca tot el volum del recipient que contingui el gas.
Dins els gasos existeix una forma que és sol considera com un estat independent de la matèria i es coneix amb el nom de plasma, en aquest cas els àtoms del gas està ionitzats (han perdut electrons i per tant tenen carrega positiva).
Podríem definir un fluid com una matèria capes de fluir; avarca els conceptes de líquid i gas.
Els tres paràmetres que defineixen l’estat d’un fluid són: densitat, pressió i temperatura.

1.2 Densitat i compressibilitat:
Definim la densitat p com la massa per unitat de volum:
p=massa/volum ; p=m/v
En un fluid la densitat pot variar d’un punt a l’altre, per tant hem de parlar de la densitat en un recinte molt petit. punt a l’altre i en canvi hi ha altres en que la densitat es manté pràcticament estable, els primers són molt compressibles i els segons incomprensibles.
Dintre dels fluids hi ha alguns en que la densitat pot variar molt d’un
Per exemple, si posem aigua en un recipient tancat hermèticament amb un èmbol, descobrirem que al fer pressió amb l’èmbol el desplaçament d’aquest es pràcticament nul, en canvi si posem gas dins el recipient, podrem desplaçar l’èmbol molt mes, es a dir, podrem comprimir molt mes el fluid (aire), variant-ne el volum la densitat haurà variat considerablement.
Seguint aquest experiment, podem entendre per exemple perquè la densitat va augmentant a mesura que ens apropem a la superfície terrestre. Com més a prop de la superfície terrestre més aire hi ha a sobre i per tant mes pressió exercirà aquest aire, comprimint i augmentant la densitat de l’aire que te a sota.
1.3 Temperatura:
Les molècules dels gasos estan en constant moviment, com menor sigui la pressió en la que es troba aquest gas major serà l’amplitud del moviment de les molècules d’aquest gas i meng impactes entre molècules i contra les parets del recipient es donaran.
A causa d’aquest moviment, las molècules tenen energia cinètica, la manifestació d’aquest energia interna es la temperatura.
Normalment s’utilitzen els graus absoluts kelvin (ºK), la relació entre els Kelvin i els graus centígrads (ºC) és:
T= t + 273,15
T: temperatura mitjana en graus Kelvin. t: temperatura mitjana en graus centigrats.
1.4 Pressió:
Si considerem que un objecte està immers en un gas, el moviment de les molècules del gas originaran una pressió p sobre ell a causa dels impactes de les molècules contra la superfície de l’objecte. El que experimentarà la superfície S de l’objecte serà una força F normal, on no es podran distingir els impactes individuals, és definirà com:
p= F/S



Aerodinàmica
És la branca de la mecànica de fluids que s'ocupa tant del moviment de l'aire i altres fluids gasosos com de les forces que actuen sobre els cossos que es
mouen en aquests fluids. Un exemple es el moviment d'un avió a través de l'aire.
La presència d'un objecte en un fluid gasós modifica la repartició de pressions
i velocitats de les partícules del fluid, originant forces de sustentació
i resistència. La modificació d'uns dels valors (pressió o velocitat)
modifica automàticament en forma oposada l'altre. Es a dir, un augment de la velocitat comporta una disminució de la pressió. Aquest fenomen serà explicat posteriorment.

Resistencia aerodinámica
Es denomina resistència aerodinàmica, o simplement resistència, a la força que sofreix un cos en moure's a través de l'aire depenent de velocitat relativa entre l'aire i el cos. La resistència és sempre de sentit oposat a aquesta velocitat, per la qual cosa habitualment es diu d'ella que és la força que s'oposa a l'avanç d'un cos a través de l'aire.
En general rep el nom de resistència fluidodinámica. En el cas de l'aigua, per exemple, es denomina resistència hidrodinàmica.
La forma del objecte que es troba a una certa velocitat en un fluid es un dels principals condicionants i creadors de la resistència, com més aire desplaça l’objecte, es a dir, la quantitat d’aire i l’espai que el desvia condicionen la seva aerodinàmica. Per exemple, una circumferència o un cub son figures que desplacen força aire, en canvi un pla aerodinàmic, que es la forma de les ales dels avions, desplaça una quantitat menor d’aire i per tant no crea tanta resistència. Per tant, com veurem més endavant, en aerodinàmica, la forma dels objectes es fonamental.
També cal tenir en compte la composició de la superfície de tals objectes, ja que pot condicionar també la aerodinàmica, si es rugós, llis etc. La superfície dels objectes condicionarà el fregament de l’aire amb aquesta. Tots els cossos tenen un coeficient de fricció que es representa amb el símbol μ. La força de fricció es la resistència que crea la superfície del objecte quan te una velocitat relativa entre aquest i el medi que l’envolta.


Exemple sobre la superfície d’un objecte: La pilota de golf.
En el següent exemple, sobre les pilotes de golf, entendrem com la superfície d’un objecte en pot condicionar l’eficiència, i que a vegades les formes llises no són les més eficients.
Les forces aerodinàmiques tenen un paper molt important en el vol d’una pilota de golf. Poden recórrer grans distancies gracies a una evolució de la forma i la composició al llarc del temps. Entendrem perquè la pilota te forats (o cavitats) i com crea sustentació tot i la seva forma esfèrica. També veurem com es poden realitzar proves aerodinàmiques en un túnel de vent.
Historia de les pilotes de golf:
La primera pilota de golf, coneguda en anglès com featherie era simplement una bossa de cuir plena de plomes d'oca. Per obtenir una pilota dura, la bossa s'omplia amb plomes d'oca mullades. Es creia que una bola llisa viatjaria més lluny, amb menor resistència a l'aire. Per reduir la fricció, la bossa tenia les costures per la part interior. La pilota llavors era assecada, engrassada, i pintada de blanc. La distancia amb aquest tipus de pilota era d'unes 150 a 175 iardes. Si la pilota s'arribava a mullar, perdia eficiència i s’havia de substituir.
Al1845,es va idear una nova pilota. Aquesta pilota estava feta de goma d'arbre. Aquesta goma s'escalfava i es modelava en forma esfèrica. Això produïa una superfície molt llisa. Però, el seu abast era fins i tot més curt que el de les pilotes anteriors (la "featherie"). No obstant això, la superfície d'aquesta pilota de vegades s'abonyegava quan era copejada amb un pal de golf. Un professor de la Universitat de Saint Andrews a Escòcia va descobrir que una pilota abonyegada podia arribar més lluny que una en perfecte estat. Això va conduir a una varietat de dissenys de superfície de pilotes de golf. Cap a l'any de 1930, la pilota de golf actual, amb els forats o cavitats, va ser acceptada com el disseny estàndard. La pilota de golf moderna té una corda de goma enroscada al voltant d'un centre de goma i coberta amb un esmalt amb cavitats. Els forats formen files. L’abast típic d'una pilota de golf moderna és aproximadament de 180 a 250 iardes.
NOTA: 1 metro = 1,0936133 iardes.
Aerodinàmica de la pilota de golf:
Si examinem la resistència aerodinàmica d'una esfera sense cavitats mentre vola a través de l'aire veurem que la primera classe de resistència és la resistència causada per la fricció. Però, aquesta és nomes una petita part de la resistència que experimenta una pilota. La major part de la resistència prové de la separació del flux en lliscar la pilota a través de l'aire. El flux d’aire que passa al voltant d'una esfera llisa és laminar ( totes les partícules d’aire segueixen una mateixa direcció), en aquest cas el flux se separa molt ràpid, com es mostra en la figura 2, Si comparem aquest tipus de flux amb el flux turbulent causat per les imperfeccions en la superfície de la pilota amb cavitats (fig.3) la separació del flux es retarda, es diferència en l'extensió de la regió de separació darrere de les esferes. La separació del flux de la esfera llisa és més gran i ocorre més ràpid, això fa que l'esfera tingui major resistència. La superfície aspra o amb cavitats produeix turbulències i retarda o disminueix la separació del flux ja que l’aire sadapta millor a la forma de la pilota. Això fa que la resistència baixi. Si l'esfera és llisa, com més ràpidament es mogui, més resistència produirà. Si l'esfera té una superfície amb cavitats, la velocitat no causa que la resistència augmenti molt.
fig.2 fig.3
Concepte de sustentació de la pilota de golf:
La sustentació és una altra força aerodinàmica que afecta el vol d'una pilota de golf. Aquesta idea podria semblar estranya degut a la forma esfèrica de les pilotes de golf, però si se li dóna el gir apropiat, una pilota de golf pot generar sustentació. Al principi, els jugadors de golf pensaven que tot tipus de gir de la pilota era perjudicial. No obstant això, en 1877, un científic britànic va descobrir que una pilota a la qual se li dóna "backspin" (gir que fa que la part superior de la pilota doni tornada cap a enrere en direcció al jugador de golf) realment produïa sustentació. Les cavitats també fan que la sustentació augmenti, fan que el flux agafi una direcció per tal de crear sustentació. El flux avança a traves de la pilota que gira verticalment amb un moviment de "backspin". El gir de la pilota obliga al flux a desviar-se cap avall. Aquest moviment del flux d’aire cap avall ocasiona una força de sustentació que impedeix que la pilota caigui allargant el llançament.


Efecte de la gravetat:
Durant l'última part del vol d'una pilota de golf, la gravetat comença a convertir-se en la principal força que actua sobre la pilota. A mesura que la pilota disminueix la seva velocitat a causa de la resistència de l'aire i la sustentació també disminueixi la pilota comença a caure cap al terra a causa de la gravetat.

Més endavant farem proves en el túnel de vent per veure la diferencia entre la superficie llisa i la rugosa en una pilota de golf.





-Angle d’atac:
S'anomena angle d'atac a l'angle que formen la corda geomètrica( segment que va d’una aresta a l’altre d’un objecte) d'un perfil d'ala amb la velocitat de l'aire incident. Es un paràmetre que influeix decisivament sobre la capacitat de generar sustentació d'una ala.
Normalment, en augmentar l'angle d'atac augmenta la sustentació fins a un punt concret en el qual aquesta disminueix bruscament separar-se la capa límit, es deixa de crear la diferencia de pressió entra la part superior i inferior del perfil alar i deixa de crear sustentació, posteriorment estudiarem aquest fenomen, quan l’angle d’atac es massa gran i deixa de crear sustentació es diu que ha entrat en pèrdua. La relació de la sustentació amb l'angle d'atac es pot mesurar a través d'un coeficient de sustentació CL.

L'espessor de la capa límit a la zona de la vora d'atac o d'arribada és petit, però augmenta al llarg de la superfície. Totes aquestes característiques varien en funció de la forma de l'objecte (menor espessor de capa límit quanta menor resistència aerodinàmica present la superfície: ex. forma fusiforme d'un perfil alar).

En aquesta imatge podem apreciar un objecte de forma esfèrica (com el de la pilota de golf), el es troba amb una velocitat relativa entre ell i l’aire que el rodeja, de esquerra a dreta, l’aire passa a traves seu, en primera instancia, el flux d’aire s’enganxa a ell resseguint el seu contorn, fins que arriba un punt en que la capa límit es desprèn de l’objecte, això crea certes turbulències i un retrocés en el flux que es troba a l’acabament de la capa límit. Aquesta capa límit pot ser turbulenta o laminar depenent de la superfície de l’objecte en qüestió, en la de la pilota de golf, la capa límit era turbulent, ocasionada per les cavitats de la superfície, això reduïa el desplaçament provocat per la forma esfèrica de la pilota, proporcionant així una millor aerodinàmica, reduint la resistència a l’avanç de la pilota. El que busquen per exemple els perfils alars es dividir mol poc l’aire per tal de que el flux, al separar-se la capa límit no creï tan flux en retrosses ni resistència al avanç. La forma mes optima es el fus. Ja que al ser simètric i amb una forma que no distorsiona gaire l’aire es idònia per l’avanç en tota mena de medis, des de els peixos fins a les aus estan formats per aquesta forma.






Vòrtex
Un vòrtex és un flux turbulent en rotació espiral amb trajectòries de corrent tancades. Com a vòrtex pot considerar-se qualsevol tipus de flux circular o rotatori que posseeix vorticitat. La vorticitat és un concepte matemàtic usat en dinàmica de fluids que es pot relacionar amb la quantitat de circulació o rotació d'un fluid. La vorticitat es defineix com la circulació per unitat d'àrea en un punt del flux.
Al existir una velocitat relativa entre l’objecte i el fluid es creen vòrtex ja que al passar l’aire a traves seu agafa direccions que posteriorment xoquen amb altres creant així turbulències en l’aire en forma d’espiral. Normalment es creen quan una corrent d’aire que es desplaçada per un objecte xoca amb una altre, aquestes dos corrents posteriorment creen dos vòrtex de diferent sentit de rotació.







Fig.1

Explicació de la figura i de les Líneas aerodinàmiques.