miniatura|Un objeto que cae a través de un gas o líquido experimenta una fuerza en sentido opuesto a su movimiento. Se alcanza la velocidad terminal cuando la fuerza de resistencia es igual a la fuerza de la gravedad que tira de él.
En dinámica de fluidos, la resistencia o fricción de fluido, incorrectamente denominada en ocasiones como arrastre, es la fricción entre un objeto sólido y el fluido (un líquido o gas) por el que se mueve.
En el caso particular de que el fluido sea líquido (por ejemplo, el agua), se denomina resistencia hidrodinámica, mientras que en el caso de que el fluido sea gaseoso (por ejemplo, el aire atmosférico), se denomina resistencia aerodinámica.
Para un sólido que se mueve por un fluido, la resistencia es la suma de todas las fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas en la dirección del flujo del fluido externo. Por lo tanto, actúa opuestamente al movimiento del objeto, y en un vehículo motorizado esto se resuelve con el empuje.
Generalmente al estudiar el movimiento bi o tridimensional de un objeto, casi siempre se ignora la resistencia del aire. En muchos problemas esta es una excelente aproximación; en otros, la resistencia del aire es importante, y se necesita saber cómo cuantificarla. Si bien se habla generalmente de resistencia "del aire", porque el aire es el medio a través del cual se mueven los cuerpos, se pueden aplicar las mismas consideraciones para otros gases e incluso líquidos.
Sin embargo en el presente artículo se asume que la fuerza de resistencia f y la velocidad v tienen la misma dirección pero sentidos opuestos. Esto es, se consideran solamente objetos en los que la fuerza lateral es cero o despreciable. La situación es ilustrada en la figura adjunta.
En la astrodinámica, dependiendo de la situación, la resistencia atmosférica se puede considerar como una ineficiencia que requiere energía adicional durante el lanzamiento de un objeto al espacio o como una ventaja que simplifica el regreso desde la órbita.
En la física del deporte, tiene muchas aplicaciones como por ejemplo, explicar el alto rendimiento del corredor Usain Bolt.
Ejemplos Los ejemplos de resistencia de fluidos incluyen al componente de la fuerza aerodinámica o hidrodinámica neta que actúa en dirección opuesta a la dirección de movimiento de un objeto sólido, como automóviles, aviones y cascos de barcos; o actuando en la misma dirección geográfica de movimiento que el sólido, como para las velas unidas a un barco de vela de viento abajo, o en direcciones intermedias en una vela, dependiendo de los puntos de la vela. En el caso de la resistencia viscosa de un fluido en una tubería, la fuerza de resistencia sobre la tubería inmóvil disminuye la velocidad del fluido en relación con la tubería.
En la física de los deportes, la fuerza de resistencia es necesaria para explicar el movimiento de pelotas, jabalinas, flechas y frisbees y el rendimiento de corredores y nadadores.
De igual manera se puede encontrar esta fuerza de resistencia dentro de la Fórmula 1, en donde los monoplazas necesitan una gran carga aerodinámica para mantenerse pegados al suelo.
Tipos Forma y flujoResistenciapor la forma Fricciónsuperficial94px ≈0% ≈100%94px ≈10% ≈90%94px ≈90% ≈10%94px ≈100% ≈0%
Los tipos de resistencia se dividen generalmente en las siguientes categorías:
Resistencia parásita o resistencia de presión debido al tamaño y la forma de un cuerpo Resistencia por fricción de superficie o resistencia viscosa, debida a la fricción entre el fluido y una superficie que puede ser el exterior de un objeto o el interior, como el orificio de una tubería
El efecto de la aerodinámica en las proporciones relativas de la fricción de la piel y la resistencia de forma se muestra para dos secciones de cuerpo diferentes, un perfil aerodinámico, que es un cuerpo aerodinámico, y un cilindro, con mayor coeficiente de resistencia. También se muestra una placa plana que ilustra el efecto que tiene la orientación en las proporciones relativas de la fricción de la superficie y la diferencia de presión entre la parte delantera y la trasera. Un cuerpo se conoce como romo (bluff en inglés) si la fuente de resistencia está dominada por las fuerzas de presión y aerodinámico si la resistencia está dominada por las fuerzas viscosas. Los vehículos de carretera son carrocerías romas.Enciclopedia de Ingeniería de Automoción, David Crolla, Documento "Fundamentos, Principios básicos en la aerodinámica y diseño de vehículos de carretera", En el caso de las aeronaves, la resistencia a la presión y a la fricción se incluyen en la definición de resistencia parásita. La resistencia parásita se expresa a menudo en términos hipotéticos (en la medida en que no hay resistencia por derrame de bordesThe Design Of The Aeroplane, Darrol Stinton, , p.204) "área de resistencia parásita equivalente" que es el área de una placa plana perpendicular al flujo con resistencia equivalente. Se utiliza para comparar la resistencia aerodinámica de diferentes aviones. Por ejemplo, el Douglas DC-3 tiene un área parásita equivalente de 23,7 pies cuadrados y el McDonnell Douglas DC-9, con 30 años de avance en el diseño de aeronaves, un área de 20,6 pies cuadrados aunque llevaba cinco veces más pasajeros.Fundamentals of Flight, Second Edition, Richard S. Shevell,, p.185 La resistencia inducida por la sustentación aparece con las alas o un fuselaje sustentador en la aviación y con los cascos semiplanos o de planeo para las embarcaciones La resistencia ondulatoria (aerodinámica) es causada por la presencia de ondas de choque y aparece por primera vez a velocidades subsónicas de las aeronaves cuando las velocidades del flujo local se vuelven supersónicas. La resistencia a las ondas del avión supersónico Concorde prototipo se redujo a velocidad Mach 2 en un 1,8% aplicando la regla del área, alargando el fuselaje trasero 3,73 m en las unidades producidas en serie.Un estudio de caso de Aerospatiale y British Aerospace sobre el Concorde por Jean Rech y Clive S. Leyman,AIAA Professional Study Series, Fig. 3.6 La resistencia a la formación de olas (hidrodinámica de barcos) o resistencia del oleaje se produce cuando un objeto sólido se mueve a lo largo de un límite de fluido y genera oleaje La resistencia aerodinámica en un avión está causada por el ángulo con el que el fuselaje trasero, o la góndola del motor, se estrecha hasta el diámetro del escape del motor.Design For Air Combat, Ray Whitford,, p.212
Ecuación de resistencia upright=1.3|thumb|Coeficiente de resistencia C d para una esfera en función del número de Reynolds Re, obtenido en experimentos de laboratorio. La línea oscura es para una esfera con una superficie lisa, mientras que la línea más clara es para el caso de una superficie rugosa La resistencia depende de las propiedades del fluido y del tamaño, la forma y la velocidad del objeto. Una forma de expresarlo es mediante la ecuación de resistencia :
donde es la fuerza de resistencia, es la densidad del fluido,Téngase en cuenta que para la atmósfera terrestre, la densidad del aire se puede encontrar utilizando la fórmula barométrica. Es 1.293 kg/m3 a 0 °C y 1 atmósfera. es la velocidad del objeto con respecto al fluido, es el área transversal, y es el coeficiente de resistencia - un número adimensional. El coeficiente de resistencia depende de la forma del objeto y del número de Reynolds ,
donde es alguna longitud característica o dimensión lineal. En realidad es el diámetro equivalente del objeto. Para una esfera es el D de la propia esfera. Para una sección transversal de forma rectangular a la dirección del movimiento, , donde a y b son las longitudes de los lados del rectángulo. es la viscosidad cinemática del fluido (igual a la viscosidad dinámica dividida por la densidad ).
A bajos , es asintóticamente proporcional a , lo que significa que la resistencia es linealmente proporcional a la velocidad, es decir, la fuerza de resistencia sobre una pequeña esfera que se mueve a través de un fluido viscoso viene dada por la Ley de Stokes:
A altos , es más o menos constante y la resistencia aerodinámica variará como el cuadrado de la velocidad. El gráfico de la derecha muestra cómo varía con para el caso de una esfera. Dado que la potencia necesaria para vencer la fuerza de resistencia es el producto de la fuerza por la velocidad, la potencia necesaria para vencer la resistencia variará como el cuadrado de la velocidad en números de Reynolds bajos y como el cubo de la velocidad en números altos.
Puede demostrarse que la fuerza de resistencia puede expresarse en función de un número adimensional, que es dimensionalmente idéntico al número de Bejan.Liversage, P., y Trancossi, M. (2018). Analysis of triangular sharkskin profiles according to second law, Modelling, Measurement and Control B. 87(3), 188-196. https://www.iieta.org/sites/default/files/Journals/MMC/MMC_B/87.03_11.pdf En consecuencia, la fuerza de resistencia y el coeficiente de resistencia pueden ser una función del número de Bejan. De hecho, a partir de la expresión de la fuerza de resistencia se ha obtenido
y en consecuencia permite expresar el coeficiente de resistencia en función del número de Bejan y de la relación entre el área húmeda y el área frontal :
donde es el número de Reynolds relacionado con la longitud de la trayectoria del fluido L.
A alta velocidad thumb|320px|Explicación de la resistencia por la NASA. Como se ha mencionado, la ecuación de resistencia con un coeficiente de resistencia constante da la fuerza experimentada por un objeto que se mueve a través de un fluido a una velocidad relativamente grande (es decir, un número de Reynolds alto, , Re > ~1000). Esto también se llama resistencia cuadrática. La ecuación se atribuye a Lord Rayleigh, que originalmente utilizó "L" 2 en lugar de "A" ("L" es alguna longitud).
ver derivación Potencia Bajo la suposición de que el fluido no se mueve con respecto al sistema de referencia utilizado actualmente, la potencia necesaria para vencer la resistencia aerodinámica viene dada por:
Hay que tener en cuenta que la potencia necesaria para empujar un objeto a través de un fluido aumenta como el cubo de la velocidad. Un coche que circula por una autopista a puede necesitar sólo para superar la resistencia aerodinámica, pero ese mismo coche a requiere .
Al duplicar la velocidad, la resistencia (fuerza) se cuadruplica según la fórmula. Ejercer 4 veces la fuerza sobre una distancia fija produce 4 veces más trabajo. Con el doble de velocidad, el trabajo (resultante del desplazamiento sobre una distancia fija) se realiza dos veces más rápido. Como la potencia es el ritmo de realización del trabajo, 4 veces el trabajo realizado en la mitad de tiempo requiere 8 veces la potencia.
Cuando el fluido se desplaza con respecto al sistema de referencia (por ejemplo, un coche que circula con el viento en contra), la potencia necesaria para superar la resistencia aerodinámica viene dada por:
Donde es la velocidad del viento y es la velocidad del objeto (ambas relativas al suelo).
Velocidad de caída de un objeto upright=2.5|thumb|Un objeto que cae a través de un medio viscoso se acelera rápidamente hacia su velocidad terminal, acercándose gradualmente a medida que la velocidad se acerca a ella. El hecho de que el objeto experimente una resistencia turbulenta o laminar cambia la forma característica de la gráfica, ya que el flujo turbulento da lugar a una aceleración constante durante una fracción mayor de su tiempo de aceleración. La velocidad en función del tiempo para un objeto que cae a través de un medio no denso, y que se suelta a velocidad relativa cero v = 0 en el momento t = 0, viene dada aproximadamente por una función que implica una tangente hiperbólica (tanh):
La tangente hiperbólica tiene un valor de límite de uno, para un tiempo grande t. En otras palabras, La velocidad asintótica se aproxima a un valor máximo llamado velocidad terminal vt: