En mi opinión, el método más simple e intuitivo es pensar en las fuerzas dinámicas de fluidos en términos de leyes de conservación con un toque de mecánica estadística.
Considere, una partícula que se mueve horizontalmente choca de frente con una cuña estacionaria pero flotante. La partícula se desviará en un ángulo agudo en relación con su línea de movimiento original.
Parte del impulso de la partícula en la dirección horizontal se transferirá a la cuña. Además, para obedecer la conservación del momento, la componente vertical del nuevo vector de momento de la partícula debe cancelarse exactamente mediante la adición de un componente vertical al vector de momento de la cuña en la dirección opuesta.
Algo como esto.
La energía también se conserva porque, aunque se conserva el impulso total en la dirección horizontal, el sistema es más masivo con la adición de la cuña y, por lo tanto, menos de ese término de impulso horizontal ([matemática] p = m * v [/ matemática]) es contribuido por las velocidades de la partícula y la cuña. Esto es importante porque el término de velocidad representa mucha más energía de un sistema que el término de masa ([matemática] {E} _ {k} = \ frac {m {v} ^ {2}} {2} [/ matemática] ) y la diferencia es igual a la energía dada para generar los componentes de momento vertical.
Ahora, considere una cuña de posición fija apuntada directamente (ángulo de ataque cero) en una corriente de partículas. Suponga que la secuencia es infinitamente amplia.
Algo como esto.
La dinámica es similar, excepto que ahora hay muchas partículas en lugar de una sola.
Un cierto número de partículas golpean la cuña por unidad de tiempo (dependiendo de su velocidad y la densidad del fluido) y esta transferencia de impulso por unidad de tiempo se traduce en fuerzas ([matemática] F = \ frac {dp} {dt} [/matemáticas]).
Para esta cuña simétrica con ángulo de ataque cero, los componentes verticales de los vectores de impulso se cancelan en promedio (aunque todavía cuestan energía, como se señaló anteriormente, que se pierde en forma de calor y vibraciones). Solo queda una fuerza neta horizontal que, junto con la energía perdida por los vectores de momento vertical de cancelación, constituye la resistencia a la presión . La magnitud de este componente del arrastre general de la forma depende del área de la sección transversal de nuestra cuña (ya que cuanto más ancha es, más partículas la golpearán por unidad de tiempo) y el ángulo relativo al ancho (ya que el blunter es el líder el borde es mayor será la desviación de cada partícula en promedio).
A continuación, una lámina de aire estándar con un ligero ángulo de ataque.
Algo como esto.
La forma es asimétrica, por lo que el número de partículas desviadas por unidad de tiempo y la cantidad de deflexión promedio por partícula para cada lado también es asimétrica. Esto significa que, para conservar el impulso total del sistema de ala / corriente, el ala experimentará una fuerza: elevación.
Como puede ver, la lámina de aire en este ángulo de ataque es más redondeada en la parte superior y más plana en la parte inferior en relación con el movimiento de la corriente (nuestro marco de referencia es un ala estacionaria). Sin embargo, tenga en cuenta que no hay un punto en blanco obvio en las líneas de flujo justo después del bulto superior. Uno podría esperar que el movimiento de las partículas desviadas se promediara en el flujo adyacente, haciendo que se desvíe muy ligeramente del ala. Sin embargo, no lo hace: “abraza” la superficie del ala.
¿Por qué el flujo “abraza” la superficie superior?
Si los vectores de impulso de cada partícula en el flujo estuvieran totalmente alineados, entonces el movimiento de las partículas desviadas en realidad promediaría en el flujo adyacente, lo que lo alejaría muy ligeramente del ala. Pero no lo son; chocan entre sí en direcciones aleatorias además de su movimiento promedio hacia adelante. Están por encima de la temperatura cero absoluta como sistema. Hay energía térmica.
La transferencia aleatoria y la difusión del impulso entre las partículas crea presión . La presión es una medida de la fuerza promedio (transferencia de momento por unidad de tiempo debido a colisiones en promedio) en todas las direcciones.
Debido a que hay menos partículas detrás de la protuberancia (debido a su relativa inclinación) y, por lo tanto, menos presión para contrarrestar la del flujo circundante, la presión del flujo circundante acelera las partículas en ese espacio ( principio de Bernoulli ). Y esa misma falta de presión detrás del bulto también significa que el medio debajo de la lámina empuja hacia arriba más de lo que el medio de arriba empuja hacia abajo, lo que hace que la lámina gane impulso hacia arriba.
El impulso hacia abajo ganado por las partículas que se mueven para llenar el vacío se equilibra con el florete que gana impulso hacia arriba en igual medida.
Por lo tanto, las ganancias de la lámina se elevan principalmente al desviar directamente parte del flujo hacia abajo y más adelante, en segundo lugar, al crear un ligero vacío detrás de su borde de ataque superior “empujándose” hacia arriba y “tirando” de otra parte del flujo hacia abajo.
Hay muchas consideraciones adicionales, como los efectos de los bordes, la fricción de la piel, las fuerzas adhesivas entre el fluido y una superficie determinada, el flujo incompresible a altas velocidades o bajas temperaturas relativas, etc. , pero no son estrictamente necesarias para comprender el concepto básico.
Espero que esto ayude. ¡Salud!