Fuerza de Arrastre y Fenomeno de Separación

Es de nuestro interés estudiar la fuerza de arrastre, ya que a las velocidades que se anda en una bicicleta, la fuerza que mayor efecto tiene en la oposición al movimiento, y si se aumenta mas la velocidad, se puede producir el fonomeno de separación del fluido detrás del cuerpo, que explicaremos a contunuación.

En mecánica de fluidos, la fuerza de arrastre es la fricción entre un objeto sólido y el fluido (líquido o gas) por el que se mueve. Actúa opuestamente al movimiento del objeto. Es una fuerza mecánica que se genera por el contacto físico.

En resumen; un cuerpo que se mueve en un fluido viscoso con velocidad constante debe estar sometido permanentemente a la acción de una fuerza. Para compensar el trabajo que sobre ella hace esta fuerza debe existir una disipación de energía. Esta resistencia que impide la aceleración del cuerpo se llama fuerza de arrastre. Es fundamentalmente la suma de dos fuerzas. La primera es la llamada arrastre de forma que resulta de los gradientes de presión que se forman en las partes traseras y delanteras de los cuerpos. La segunda es la fricción de piel o arrastre viscoso entre las moléculas del aire y las de la superficie sólida; Una superficie muy suave y encerada produce menos arrastre por este efecto que una rugosa. A su vez este efecto depende de la magnitud de las fuerzas viscosas.
Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el cuerpo y con la finalidad de facilitar su estudio, se hace depender dichas relaciones de una única variable (coeficiente) que permita, de una forma sencilla, conocer los efectos que resulten presentes.

Donde:
Cw = Coeficiente de arrastre
Fx = Fuerza de arrastre
rho= Peso Especifico del Aire V= Velocidad
S = Superficie frontal de referencia

Con respecto al fenómeno de separación, tenemos que cuando la presión a lo largo de una placa o de un perfil de ala va creciendo progresivamente la capa límite se ensancha progresivamente (gradientes de presión adversa, en la parte posterior del cuerpo); si al mismo tiempo el contorno es finito, por ejemplo un ala de avión, la variación de presión se resuelve mediante un movimiento del fluido de la parte inferior del ala hacia la parte superior y que dan lugar a torbellinos libres o de escape, también conocidos como estelas.
Así pues las estelas son producto de la separación de la capa límite del contorno (figura adjunta); tanto las estelas como la separación tienen gran importancia en la presión de arrastre sobre los cuerpos.

Si se consigue evitar la separación en el flujo sobre un cuerpo, la capa límite permanece delgada, disminuyendo la presión de arrastre. Por otro lado, la naturaleza laminar comparada con la turbulencia de la capa límite es importante para modificar la situación del punto de separación. Así una gran transferencia de cantidad de movimiento dentro de la capa límite turbulenta requiere un gradiente de presión adversa más grande para causar la separación, que el flujo laminar más ordenado.

El desprendimiento de la capa límite es un fenómeno no deseado desde el punto de vista del arrastre, ya que detrás del cuerpo aparece una zona de menor presión que en el punto que enfrenta al fluido aumentando el arrastre.

Si nuestro objetivo es disminuir la fuerza de arrastre, tendremos que darle al conjunto bicicleta-ciclista una forma tal que la estela disminuya en tamaño; esto es posible hacerlo, en efecto, si comparamos la imagen anterior vemos que en la tercera esfera la estela disminuye. Podríamos hacerla aún menor si a la esfera le agregamos una modificación en su parte posterior. Tanta es la importancia de este efecto, que los trajes de los pilotos de carrera de las motocicletas tienen incorporado en la espalda un perfil aerodinámico (Aerodynamic wedge), estom se aplica mas especificamente a nuestro proyecto de disminuir el arrastre en un ciclista.