Cualquier cuerpo físico que esté presente está influenciado por el flujo de aire a su alrededor y viceversa. Este estudio del flujo de fluidos entra en el campo de la aerodinámica. La idea general es que hay dos fuerzas aerodinámicas principales, a saber, Lift (L) y Drag (D). La siguiente imagen muestra la dirección de estas fuerzas y el flujo de aire alrededor de un objeto esférico: una bola. En términos simples, la resistencia es la fuerza de fricción que se opone al movimiento de la pelota. La combinación de giro y el movimiento de la pelota a través del aire, produce una fuerza (elevación) perpendicular a la dirección de vuelo. Esto se conoce como el efecto Magnus . El efecto de Lift and Drag es la resistencia resultante que ofrece el aire a la bola en movimiento. Además de estas fuerzas, el peso de la pelota actúa hacia abajo (gravedad). La idea de usar hoyuelos es hacer que la superficie de la pelota sea más rugosa y esto reduce el arrastre, lo que significa que la pelota tiene un vuelo más largo. Este fenómeno se explica a continuación.
Fuente de la imagen: Notas de diseño – Golf Physics p3
En la física de la escuela secundaria, uno aprendió cómo la fricción es menor para los cuerpos más lisos que los más duros. También se aprendió sobre los medios para disminuir la fricción con la ayuda de polvos en diferentes tipos de objetos y máquinas. Más rugosa la superficie, mayor fricción, más lisa la superficie, menor fricción . Sin embargo, hay una trampa . Dos cosas importantes para entender en esta etapa son:
- Número de Reynolds (Re) asociado con la velocidad del flujo.
[matemáticas] Re = \ frac {VD} {\ nu} [/ matemáticas]
donde ‘V’ es la velocidad de flujo, ‘D’ es el diámetro de la bola, el denominador es la viscosidad cinemática del aire. ‘D’ y ‘\ nu’ se fijan durante el vuelo y, por lo tanto, el parámetro variable es la velocidad. La parte interesante sobre el número de Reynolds es que el número que tiene está asociado con un régimen de flujo. Hay tres regímenes de flujo principales:
- Flujo laminar: flujo suave sobre el cuerpo a velocidades relativamente bajas
- Flujo turbulento: el flujo es complejo porque se caracteriza por fluctuaciones e irregularidades. La aspereza de los cuerpos provoca una transición más rápida a la turbulencia.
- Flujo de transición: cuando un flujo está en transición de un flujo laminar suave a un flujo turbulento áspero
Un golfista balancea el palo de golf a una velocidad realmente alta y entra en contacto con la pelota en una fracción de tiempo muy pequeña, haciendo que la pelota vuele en el aire con una velocidad lineal alta y un giro. Los números típicos de Reynolds son alrededor de 2,20,000. En la sección anterior, se mencionó el arrastre. Cuando se estudia la resistencia, se cuantifica en términos de un coeficiente llamado coeficiente de resistencia (Cd). Su variación puede estudiarse con respecto al número de Reynolds. Esto indica cómo varía la resistencia en un régimen de flujo laminar y turbulento.
2. Capas límite
En palabras simples, la capa límite es una región de velocidad disminuida (casi cero) cerca de la superficie del objeto. Hay un perfil de velocidad con velocidades más bajas más cerca de la superficie y una velocidad que aumenta gradualmente más lejos del cuerpo. Las características de estas capas son diferentes para los regímenes laminar y turbulento. En el primero, la capa límite está menos ‘adherida’ a la superficie y el flujo se separa del cuerpo, más rápido y más fácilmente, lo que provoca un alto arrastre. Sin embargo, en el caso turbulento, la capa límite está más ‘unida’ al cuerpo y la separación del flujo se retrasa, lo que causa una menor resistencia. Aunque la resistencia ofrecida a un cuerpo en movimiento (arrastre) aumenta con el aumento de su velocidad, se ha documentado una disminución brusca repentina en el arrastre para el flujo sobre esferas más allá de ciertos valores del número de Reynolds. Esto se conoce como crisis de arrastre . La crisis de arrastre se produce tanto en regímenes laminados como turbulentos, pero mucho más rápido en el flujo turbulento, razón por la cual se agregan hoyuelos a la pelota. Para que ocurra una crisis de arrastre en una bola suave, debe alcanzar un número de Reynolds muy alto en un corto intervalo de tiempo que no es posible en condiciones normales de juego. Sin embargo, cuando el régimen es turbulento, induce la mezcla de capas de aire exterior más rápidas con la capa límite más lenta, aumentando así su velocidad. Esto mantiene el flujo unido por más tiempo y, por lo tanto, la separación del flujo ocurre más abajo, provoca una disminución severa en la resistencia. Los hoyuelos en la pelota son una forma de aspereza que se agrega a la pelota para hacer que el flujo sea turbulento y obtener la ventaja de una fuerte disminución en la resistencia. Las figuras y gráficos a continuación lo aclararán.
Fuente de la imagen: http://slideplayer.com/slide/875 … – Capa límite laminar versus turbulenta
Fuente de la imagen: NASA- Coeficiente de arrastre versus número de Reynolds
