Efecto Coandă
2011-01-08
El efecto Coandă consiste en la tendencia de un chorro a pegarse a las superficies sólidas y curvarse con ellas. Las siguientes fotografías muestran un bonito ejemplo del efecto:
Un chorro de agua cae separado de una cucharilla. Se mantiene recto.
El mismo chorro de agua cae en contacto con la superficie convexa
de la cucharilla. Sigue la curvatura hasta llegar al borde.
Posibles mecanismos que explican el efecto Coandă
Si hacemos incidir un chorro de agua, aire u otro fluido paralelo a una pared convexa como la superficie de una pelota o de una tubería, podemos observar que este chorro sigue la curvatura de la superficie (o al menos lo hace hasta cierto punto); esto se debe a que la presión y las fuerzas de atracción intermolecular en la frontera entre el chorro y la pared (que suelen ser muy efectivas en el caso de líquidos e irrelevantes en el caso de gases) compensan el efecto centrífugo de la corriente curvada. Algunos autores insisten en que el efecto Coandă sólo es el que se da cuando las fuerzas de atracción intermolecular en la frontera entre el chorro y la pared no son notables (es decir, en chorros de gas), mientras que otros insisten en incluir todas las posibles interacciones.
Experimento mental para explicar el efecto
Podemos hacernos a la idea del mecanismo que provoca el efecto Coandă en un chorro de gas con un sencillo experimento mental. Supongamos que estamos en un mundo bidimensional con una atmósfera en calma hacemos incidir un chorro de aire sobre una superficie convexa y paralelo a ella en el punto de contacto, de modo que, de alguna manera, logramos mantener la configuración fluida de la siguiente figura:
El chorro de aire (de color azul, con flechas que indican
la velocidad) incide sobre la superficie sólida convexa (de color
rojo). El aire en calma entre la superficie sólida y el chorro
está marcado de color gris.
Debido a la viscosidad (es pequeña pero siempre está presente), el chorro empezará a arrastrar el aire de sus alrededores. La corriente arrastrada sobre el chorro es de poca importancia porque tenemos toda la atmósfera para rellenar rellenar el hueco que deja; la corriente arrastrada entre el chorro y la superficie sólida, en cambio, se expande de forma significativa al ser arrastrada por el chorro.
La presión sobre el chorro (color blanco) es mayor que bajo el
chorro (color gris). Se produce una fuerza neta (flecha negra grande)
que hace desvía el chorro y lo acerca a la superficie.
Empieza a formarse un vacío (baja la presión) en este bolsillo de aire y es el propio chorro el que tiene que llenar el hueco dejado por el aire arrastrado. El chorro se curva más y más hacia la superficie hasta correr pegado a ella.
Al terminar el proceso, el chorro de aire se ha pegado a la
superficie convexa.
Si tenemos un líquido y éste moja bien la superficie sólida, entonces el efecto es más fácil de explicar: la superficie líquida tiende a pegarse a la superficie sólida, lo que ayuda (si la velocidad del chorro no es excesiva), junto con lo descrito en los anteriores párrafos, a provocar el efecto Coandă.
Finalmente, la propia vorticidad que provoca la viscosidad (el fluido está frenado en la pared y se mueve muy deprisa en el centro del chorro, de modo que hay una rotación) va con la propia curvatura convexa de la superficie.
Henri Marie Coandă
El nombre del efecto Coandă viene de Henri Marie Coandă, ingeniero aeronáutico, aerodinamista, aviador e inventor en general que investigó en profundidad el fenómeno tratado en este artículo.
Aplicaciones del efecto
El efecto Coandă tiene algunas importantes aplicaciones aeroespaciales.
Helicópteros NOTAR
El rotor de un helicóptero no se mueve gratuitamente, sino que tiene tendencia a frenarse y hay que aplicarle un par constantemente. A tal par que aplica el motor al rotor, el mismo par en sentido opuesto es aplicado por el rotor sobre el motor, de modo que el helicóptero tiende a girar sobre sí mismo en sentido contrario al del rotor. Hay varias soluciones para compensar este efecto y dar control direccional.
- Una de ellas consiste en usar un pequeño rotor antipar de eje horizontal que permita aplicar un momento controlado.
- Otra solución consiste en usar no uno, sino varios rotores contrarrotatorios cuyo régimen pueda ser ajustado diferencialmente para que el par neto sea nulo o el necesario para realizar una maniobra direccional controlada.
- Una tercera solución (y ésta es la que nos interesa) consiste en proyectar un chorro de aire sobre uno de los lados de una cola de sección redondeada que está inmersa en la corriente del rotor principal. El efecto Coandă hace que la corriente permanezca más adherida por el lado del chorro que por el otro lado; esta asimetría (una circulación neta) provoca una fuerza lateral.
Sección transversal de una cola NOTAR. Las flechas líneas negras
con flechas son líneas de corriente que vienen desde el rotor principal.
El círculo rojo es la sección de la cola. Las flechas azules son el
chorro inyectado. La flecha grande naranja es la fuerza resultante.
Dispositivos hipersustentadores
La máxima fuerza de sustentación que puede dar un ala para mantener un avión en el aire está limitada. De forma simplificada, podemos decir que esta fuerza de sustentación máxima crece con el cuadrado de lo rápido que se mueve el avión relativo al viento, de modo que hay un límite a lo despacio que puede volar un avión (y, por lo tanto, a lo cortos que pueden ser el despegue y el aterrizaje). Hay dispositivos que sirven para aumentar la sustentación máxima; se llaman dispositivos hipersustentadores. Lo más habitual es que interese usarlos cuando el avión tiene que volar muy despacio, pero que en crucero, cuando la propia rapidez de vuelo hace que la máxima fuerza de sustentación posible sea muy alta, los dispositivos hipersustentadores tienen poca utilidad y, de hecho, lo normal es que convenga retraerlos o desactivarlos de algún modo en crucero.
La causa fundamental del máximo en la sustentación es el desprendimiento de la capa límite. Hay varios métodos para retrasar este desprendimiento; uno de ellos consiste en modificar la geometría del ala mediante la deflexión de una parte móvil de ésta (un flap). Incluso así, la corriente acaba desprendiéndose. Es posible mantenerla adherida mediante la inyección de un chorro de aire gracias al efecto Coandă. El YC-14 era un avión que usaba este principio: el chorro de los motores iba sobre el extradós del ala y mantenía la corriente adherida con una gran deflexión de flaps, lo que permitía alcanzar una elevada sustentación máxima y, por lo tanto, aterrizar y despegar en pistas muy cortas.
Categorías: Aeroespacio, Física
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