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La aerodinámica es una ciencia fundamental, basada en la observación física. Una virtud importante del éxito de los aerodinamistas, tanto ingenieros como científicos, es la posesión de una buena intuición física, basada en el pensamiento y la experiencia, lo cual les permite tomar decisiones razonables en problemas difíciles. Por ello, es necesario entender y comprender la física que yace intrínseca en cada fenómeno de la naturaleza, en este caso la aerodinámica.

Para construir las ecuaciones básicas de la aerodinámica, es necesario conocer las bases y principios en las cuales estas se cimientan. Hay un cierto procedimiento filosófico involucrado con el desarrollo de estas ecuaciones:

1. Convocar tres principios fundamentales de la física, los cuales son profundamente arraigados en las observaciones macroscópicas de la naturaleza, los cuales son:

a. La conservación de masa: La masa no puede ser creada o destruida. b. La segunda ley de Newton: Fuerza = Masa * Aceleración.

c. La conservación de la energía: Solo puede cambiar de una forma a otra. 2. Determinar un modelo adecuado del fluido. Teniendo en cuenta que un

fluido es una sustancia blanda, por lo cual es usualmente más difícil describirla en comparación con un cuerpo sólido bien definido. Por consiguiente, se tiene que adoptar un modelo razonable del fluido al cual se podrán aplicar los principios establecidos anteriormente.

3. Aplicar los principios físicos fundamentales listados para el modelamiento del fluido determinado anteriormente, con el fin de obtener ecuaciones matemáticas, las cuales describirán apropiadamente la física del flujo. Sucesivamente, usar estas ecuaciones fundamentales para analizar cualquier problema de flujo aerodinámico de interés.

¿Qué es un modelo apropiado del fluido?, ¿Cómo se visualiza esta sustancia blanda con el fin de aplicar los principios físicos fundamentales a esta? Son interrogantes que surgen para la determinación de un modelo de fluido adecuado

para el análisis, y en este sentido no hay una respuesta simple a esta pregunta, por el contrario, tres modelos diferentes han sido usados exitosamente a través de la evolución de la aerodinámica moderna7_:

4.1.1.1. Aproximación al Volumen de Control Finito

Se considera un campo de flujo general representado por las líneas de corriente en la figura 1. e imagine un volumen cerrado establecido dentro de una región finita del flujo. Este volumen se define como un volumen de control 𝑣, y una superficie de control 𝑆 es definida como la superficie cerrada que limita el volumen de control. El volumen de control puede estar fijo en el espacio con fluido moviéndose a través de él, como se muestra al lado izquierdo de la figura 1. Alternativamente, el volumen de control puede estar moviéndose con el fluido de modo que las mismas partículas de fluido están siempre dentro de él, como se muestra al lado derecho de la figura 1. En ambos casos, el volumen de control es una región finita razonablemente grande del flujo. Los principios físicos fundamentales son aplicados al fluido dentro del volumen de control, y al fluido cruzando la superficie de control (Si el volumen de control está fijo en el espacio). Por lo tanto, en vez de mirar el campo de fluido entero una vez, con el volumen de control se limita la atención a solamente el fluido en la región finita del volumen en sí mismo.

Figura 1. Aproximación al Volumen de Control Finito

Fuente: ANDERSON, John. Fundamentals of Aerodynamics: Fundamental Principles. 3º Edición. New York: McGraw-Hill, 2001. p.100.

7 _{ANDERSON, John. Fundamentals of Aerodynamics: Fundamental Principles. 3º Edición. New}

4.1.1.2. Aproximación al Elemento de Fluido Infinitesimal

Se considera un campo de flujo general como el representado por las líneas de flujo en la figura 2. e imaginando un pequeño elemento de fluido infinitesimal en el flujo, con un volumen diferencial 𝑑𝑣. El elemento de fluido es infinitesimal en el mismo sentido como en el cálculo diferencial, sin embargo, es lo suficientemente grande para contener un enorme número de moléculas para que este pueda ser visto como un medio continuo. El elemento de fluido puede ser fijo en el espacio con el fluido moviéndose a través de él, como se muestra en la figura 2. Alternativamente, este puede ser movido a lo largo de una línea de flujo con velocidad 𝑉, igual al flujo de velocidad a cada punto. De nuevo, en vez de mirar al campo de flujo entero una vez, los principios físicos fundamentales son aplicados solamente al elemento de fluido en sí mismo8_.

Figura 2. Aproximación al Volumen de Control Finito

Fuente: ANDERSON, John. Fundamentals of Aerodynamics: Fundamental Principles. 3º Edición. New York: McGraw-Hill, 2001. p.101.

4.1.1.3. Aproximación Molecular

En realidad, por supuesto, el movimiento de un fluido es una ramificación del movimiento de sus átomos y moléculas. Por lo tanto, un tercer modelo del flujo puede ser una aproximación microscópica, en donde, las leyes fundamentales de

8 _{ANDERSON, John. Fundamentals of Aerodynamics: Fundamental Principles. 3º Edición. New}

la naturaleza son aplicadas directamente a los átomos y las moléculas, usando aproximaciones estadísticas apropiadas para definir las propiedades resultantes del fluido9_{. Esta aproximación está en el ámbito de la Teoría Cinética, la cual es un}

método muy complejo con muchas ventajas a largo plazo. Sin embargo, está más allá del alcance de este documento.

En resumen, el modelo de flujo puede usualmente ser categorizado bajo una de las aproximaciones descritas anteriormente.