La fuerza de arrastre aerodinámico es el principal “obstáculo” a alta velocidad aeronave, coches y trenes bala. Esto se debe a que un diseño con menor resistencia aerodinámica permite que la aeronave se mueva a velocidades más altas con menos energía.
Cuando la carrocería de un avión o de un automóvil se mueve a gran velocidad, se forma en su superficie una fina capa de aire llamada “capa límite”. Esta capa límite tiene dos estados: flujo laminar, donde el aire fluye de manera ordenada, y flujo turbulento, que implica turbulencia.
Cuanto más tiempo está el aire en un estado de flujo laminar de baja fricción, menos resistencia tiene, pero a medida que aumenta la velocidad del aire, cambia a flujo turbulento. La clave para reducir la resistencia aerodinámica es retrasar la transición a la turbulencia.
Durante más de 80 años, el principio “la superficie de un objeto debe ser lisa” ha sido la premisa básica de la ingeniería aeronáutica en todo el mundo para suprimir la transición a las turbulencias y reducir la resistencia aerodinámica. Esta premisa se basa en los resultados de un estudio de 1940 realizado por Ichiro Tani, un aerodinámico japonés que demostró cuantitativamente la relación entre la “rugosidad de la superficie” (un indicador del estado de la superficie de una máquina) y las transiciones turbulentas, argumentando que la rugosidad de la superficie, que era inevitable con la tecnología de fabricación de la época, impedía la realización del flujo laminar.
Sin embargo, en 1989 Tani reinterpretó datos experimentales sobre tuberías con superficies rugosas obtenidos por el ingeniero de fluidos Johann Nikulase en la década de 1930, proporcionando así una nueva perspectiva de que “la rugosidad no necesariamente sólo promueve transiciones turbulentas y aumenta la resistencia de los fluidos”. Heredando esta idea, un grupo de investigación dirigido por Yasuaki Kohama de la Universidad de Tohoku demostró experimentalmente en la década de 1990 que las superficies fibrosas rugosas, que tienen finas irregularidades fibrosas en su superficie, tienen el efecto de retrasar la transición bajo ciertas condiciones.
El mismo equipo de investigación de la Universidad de Tohoku anunció recientemente un descubrimiento que avanza significativamente esta tendencia. Aiko Yakino, profesora del Instituto de Ciencia de Fluidos de la Universidad de Tohoku, y su grupo de investigación fueron los primeros en el mundo en demostrar Esa resistencia aerodinámica se puede reducir hasta en un 43,6 por ciento simplemente aplicando microrrugosidad distribuida (DMR), que es una rugosidad de la superficie que es tan suave e irregular que no se puede distinguir a simple vista.
Esta tecnología es fundamentalmente diferente del “proceso afluente (piel de tiburón)”, que se conoce como tecnología común de reducción de la resistencia aerodinámica. El proceso tributario imita los finos surcos longitudinales de la piel de tiburón y, al tallar surcos de aproximadamente 0,1 mm de ancho a lo largo de la dirección del flujo de aire, alinea los remolinos que se producen cerca de la superficie de las paredes de las áreas de flujo de aire turbulento. DMR, por otro lado, retrasa la transición de flujo laminar a turbulento a través de irregularidades aleatorias muy pequeñas. Las zonas de flujo en las que influye y los mecanismos que utiliza se basan en conceptos muy diferentes.
Mediciones precisas en túneles de viento sin barras de soporte
El factor clave de este logro fue el uso de métodos experimentales en túnel de viento que eran diferentes a los anteriores. Los experimentos convencionales en túneles de viento tienen limitaciones estructurales: las varillas y cables de soporte esenciales para sostener el modelo interrumpen el flujo de aire, anulando así pequeños cambios en la resistencia del aire causados por la rugosidad a microescala.
El sistema de equilibrio de soporte magnético de 1 metro más grande del mundo (1m-MSBS), propiedad del Instituto de Ciencia de Fluidos de la Universidad de Tohoku, ha resuelto fundamentalmente este problema. El dispositivo puede hacer levitar un modelo delgado de aproximadamente 1,07 m de largo en un túnel de viento sin contacto mediante fuerzas electromagnéticas. Debido a que no utiliza varillas de soporte ni ningún otro medio, elimina por completo la interferencia con el flujo de aire alrededor del modelo.
Yakino y su equipo midieron con precisión el coeficiente de resistencia total en superficies lisas recubiertas de DMR en una amplia gama de números de Reynolds (la relación entre la fuerza de inercia y la fuerza viscosa que actúa sobre un fluido) (Re = 0,35 x 10⁶ a 3,6 x 10⁶).
