Resistencia aerodinámica y desprendimiento
Una tabla que vuela a la misma velocidad empuja el aire con fuerza, mientras una forma de gota lo parte de forma lisa. La diferencia es la estela que deja el flujo al separarse por detrás, y arrastra la velocidad para ver cómo se parte el flujo detrás del cuerpo. Cuando la parte de atrás está vacía, el frente empuja.
El flujo envuelve liso el frente de un cuerpo redondo y luego, en algún punto de atrás, no puede seguir la superficie y se separa, y detrás aparece una estela (wake) lenta y con vórtices. Dentro de esta estela la presión es baja, así que una presión alta empuja por delante y una presión baja sostiene menos por detrás, y el cuerpo es arrastrado hacia atrás. Eso es el arrastre de presión. Arrastra la velocidad y la estela se hace más fiera. Una parte de atrás vacía tira del cuerpo.
Aun con la misma área frontal, la forma fija el tamaño de la estela. Cambia con un botón y un cuerpo romo se separa pronto y hace una estela ancha y un arrastre grande, mientras una forma aerodinámica tiene una cola suave, el flujo se queda pegado hasta el final, la estela casi desaparece y el arrastre es pequeño. Por eso los aviones, los peces y los coches alargan todos una cola larga. Una cola larga mantiene el flujo pegado.
¿Por qué se separa el flujo? En la parte de atrás de un cuerpo el flujo se ensancha y se frena y la presión sube en su lugar, un gradiente adverso de presión. La capa lenta cerca de la pared no puede con esta presión cuesta arriba. Se para, fluye hacia atrás y deja la superficie. Arrastra cuán empinado es el gradiente adverso y el punto de separación se tira hacia delante y la región invertida crece. La capa que no puede con la cuesta da la vuelta.
El tamaño del arrastre se reúne en una fórmula. FD = ½ ρ v² CD A, el producto de la densidad del fluido, v², el coeficiente de arrastre CD y el área frontal A. Arrastra la velocidad v y el arrastre se dispara como v², y dobla la velocidad y el arrastre es cuatro veces. Así a alta velocidad la resistencia del aire domina.
¿Por qué una pelota de golf tiene hoyuelos? Una pelota lisa tiene una capa límite laminar que se separa pronto y hace una estela ancha y un arrastre grande, mientras los hoyuelos hacen a propósito turbulenta la capa límite, así que la capa turbulenta aguanta mejor el gradiente adverso y se separa más tarde. Entonces la estela mengua y el arrastre de presión cae mucho. La fricción superficial crece un poco, pero la reducción de la estela es mucho mayor, así que una pelota con hoyuelos vuela más lejos, y al comparar estela y arrastre con un botón se ve la diferencia. El análisis dimensional, que ata todos estos hechos del flujo en números sin dimensiones, sigue.