¿Puede existir sustentación sin viscosidad?
Uno de los debates clásicos en la aerodinámica (o fluido-dinámica, en un término más general) es si la existencia de la viscosidad en un fluido es condición indispensable para que pueda existir la 'fuerza' de sustentación en un cuerpo inmerso. Por supuesto, antes que todo se debe entender el concepto de viscosidad, la cual es una propiedad que está estrechamente relacionada a la constitución física del fluido a nivel micro, es decir, a escala molecular. Así, esta puede entenderse como el nivel de resistencia o rozamiento que sus 'partículas' oponen al desplazamiento de sus aledañas en la dirección tangencial (respecto al flujo) y que depende del tiempo que le toma a las partículas de una 'capa superior' llenar los espacios que se dejan en la 'capa inferior' (respecto de una 'pared sólida') conforme el fluido fluye.
Para poner en contexto, un ejemplo típico de un fluido con una viscosidad elevada es la miel, la cual como puede ser observado, se desplaza más lentamente comparado con lo que le tomaría, por ejemplo, al agua hacerlo, la cual tiene una viscosidad mucho menor. Ahora bien, aunque es cierto que un fluido estrictamente sin viscosidad (flujo no viscoso) no existe de manera natural, hay sustancias como el helio (lea bien, ¡helio, no hielo!, aunque también podría ser, pero a escala macro...) las cuales tienen una viscosidad muy cercana a cero (llamados superfluidos) y es por eso que se han utilizado para tratar de encontrar la respuesta a la pregunta principal desde un punto de vista experimental, aunque hasta el momento parece que los resultados no han sido concluyentes, ya que el debate persiste.
Existen algunas teorías más o menos sofisticadas que tratan de resolver el problema en el sentido de que no puede existir sustentación sin viscosidad, sin embargo, desde mi punto de vista, fallan porque su principal hipótesis se basa en un falso supuesto, como el que un 'flujo ideal' (en el ámbito de la Teoría de Flujo Potencial; TFP) por definición no viscoso, se mantiene adherido a la totalidad de la superficie, rodeando perfectamente al objeto en cuestión. De hecho, el fenómeno físico anteriormente descrito solamente existiría en un caso hipotético donde la viscosidad del fluido tendiera a un valor infinito (o números de Reynolds cercanos a cero), y no con un valor nulo (ver. Fig. 3), ¡lo que explicaría por si mismo que no existiese 'fuerza' de arrastre!, como lo hace actualmente la TFP. Incluso, de acuerdo con la explicación actual, tal fenómeno estaría presente en el caso de una placa infinitamente delgada con un borde de ataque perfectamente afilado, que en condiciones de un valor 'normal' de viscosidad evitaría que el flujo se adhiera naturalmente, independientemente de la recirculación que pueda existir justo detrás de dicho borde.
Llegado este punto, prefiero no ahondar en el tema desde un enfoque teórico, puesto que no cuento con el conocimiento necesario para estudiar la teoría que está detrás de dichos desarrollos (y a decir verdad no es de mi actual interés, pues mi enfoque siempre ha sido de aplicación), sin embargo, trataré de seguir el hilo desde un punto de vista de ingeniería, mediante los resultados obtenidos por una investigación computacional reciente, donde la sustentación, el arrastre, e incluso, el momento de cabeceo en cuerpos infinitamente delgados pueden ser obtenidos de manera numérica bajo supuesto de flujo estrictamente no viscoso o ideal.
En dicho método computacional se recopila el desarrollo desde un enfoque de circulación (y vorticidad) desprendida desde la totalidad de la superficie de un cuerpo-placa tridimensional [1] basado en los conceptos de la TFP, implementada mediante el método estacionario de redes de vórtice (vortex lattice method; VLM). Dicho trabajo ha sido extendido a su versión transitoria [2] de redes de vórtice y finalmente a la de 'partículas' de vórtice (híbrido de tubos y vortones) [3] (ver Fig. 4), la cual valida que la dirección y magnitud de la fuerza fluido-dinámica resultante, por tanto, la sustentación, el arrastre y el momento son generados sin necesidad de la existencia de viscosidad en el fluido*, y en todo caso, su existencia es debido a la totalidad de la vorticidad desprendida desde la superficie. Aunque esto por si mismo no quiere decir que la viscosidad no contribuya a dichas 'fuerzas' y momento, pues de hecho lo hace para ciertas condiciones de operación, por ejemplo, a muy bajos ángulos de ataque (dentro de la capa límite) donde debido a la alineación del flujo y la placa se generan esfuerzos tangenciales (cortantes), y por tanto, los efectos viscosos no pueden despreciarse desde el punto de vista de la física del problema. Sin embargo, dentro del marco de dicha investigación, la viscosidad del fluido es incluida como un elemento externo a la TFP y no asumida (¡sin saberlo!) como parte de si misma, cómo se ha venido haciendo desde su concepción.
Y a todo lo anterior, ¿desde cuál enfoque debería ser resulta idealmente la pregunta, desde el experimental, teórico o numérico?
*Esto también debe confirmarse para placas gruesas, donde probablemente la viscosidad actúe en la superficie inferior manteniendo al fluido adherido, desprendiéndose solamente en la superior.
"Analizar las cosas desde sus hipotéticos casos extremos es una forma de razonamiento, al parecer en desuso, que puede ayudar a simplificar y resolver los problemas más complejos de entender." CP
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