Cuando la capa límite se separa, el arrastre se dispara
A la misma velocidad, una tabla plana empuja el aire con fuerza mientras una gota lo atraviesa limpiamente. La diferencia está en la estela que deja el flujo al separarse. Arrastra la velocidad para ver cómo el flujo se desprende detrás de un cuerpo.
El flujo envuelve con suavidad el frente de un cuerpo redondo, pero en algún punto de la parte trasera ya no puede seguir la superficie y se desprende. Detrás se forma una estela lenta y arremolinada (wake). Dentro de esa estela la presión es baja, así que la alta presión del frente empuja mientras la baja de atrás no responde: el cuerpo es arrastrado aguas abajo. Esto es el arrastre de presión. Arrastra la velocidad y la estela se agita más.
Para la misma área frontal, la forma fija el tamaño de la estela. Alterna entre ellos. Un cuerpo romo (una placa o cilindro) deja que el flujo se separe pronto, creando una estela ancha y gran arrastre, mientras un cuerpo aerodinámico (una gota) se afina con suavidad para que el flujo siga pegado hasta el final, dejando casi sin estela y poco arrastre. Por eso aviones, peces y coches alargan una cola.
¿Por qué se desprende el flujo? En la parte trasera del cuerpo el flujo se ensancha y frena, y la presión en realidad sube: un gradiente de presión adverso. La capa lenta junto a la pared no puede con esa presión cuesta arriba, se detiene, luego fluye hacia atrás y se despega de la superficie. Arrastra la inclinación del gradiente adverso y el punto de separación se adelanta mientras la región de flujo inverso crece.
El tamaño del arrastre se reúne en una fórmula: FD = ½ ρ v² CD A. Es el producto de la densidad del fluido ρ, el cuadrado de la velocidad v², el coeficiente de arrastre CD (fijado por la forma y la separación) y el área frontal A. Arrastra la velocidad v y el arrastre se dispara como v². Duplica la velocidad y el arrastre se cuadruplica. Por eso la resistencia del aire domina a alta velocidad.
¿Por qué una pelota de golf tiene hoyuelos? Una pelota lisa deja que su capa límite laminar se separe pronto, creando una estela ancha y gran arrastre. Los hoyuelos disparan a propósito la capa límite a turbulenta, y una capa turbulenta resiste mejor el gradiente adverso, así que se separa más tarde. Eso encoge la estela y baja con fuerza el arrastre de presión. La fricción superficial sube un poco, pero la estela se reduce mucho más, así que la pelota con hoyuelos vuela más lejos. Alterna para comparar la estela y el arrastre. En la próxima lección unimos todos estos efectos del flujo con grupos adimensionales, en el análisis dimensional.