Introducción

Un fluido es todo material que se deforma de manera continua ante una fuerza, no importa de qué valor sea ésta.

A continuación se señalan algunas de las propiedades importantes que rigen la dinámica de los fluidos que merecen ser mencionadas.

- Densidad : es la relación entre la masa de un fluido cualquiera y una masa de referencia como el agua el aire.

- Masa Específica : es la cantidad de masa del fluido por unidad de volumen del mismo.

- Presión : es la fuerza por unidad de superficie en un cuerpo. Está muy unida a la masa específica.

Existen 2 tipos de presiones: la atmosférica y la no atmosférica.

La presión atmosférica: es la presión sobre un cuerpo debido a la fuerza que ejerce las partículas de aire sobre él. Esta columna de aire, se sitúa desde dicho cuerpo, hasta el fin de la atmósfera. A mayor presión, las moléculas de aire están más unidas, y la densidad aumenta, por lo tanto la masa específica es mayor.

La presión no atmosférica, es la presión relativa; es aquella presión que no tiene en cuenta la presión atmosférica; la suma de ambas, se denomina presión absoluta; la presión relativa, por ejemplo, es la causada por la propia dinámica del aire.

Ambas presiones, son las que se encargan de mantener más o menos unidas a las moléculas de aire.

- Viscosidad : es la resistencia que posee todo fluido a deformarse por la acción de una fuerza cualquiera. La viscosidad es una propiedad dinámica; mientras no exista movimiento.

Es la responsable directa de la existencia de la llamada capa límite y sin ella, no existirían las fuerzas aerodinámicas. A partir de esto, por el gradiente de velocidades que se presenta en el fluido que rodea al cuerpo en movimiento, se generan turbulencias.

Tanto la presión, masa especifica y viscosidad están ligadas entre sí; ello significa que el hecho de variar una de ellas, conlleva la variación de las otras. Esta situación se puede definir a través de las Ecuaciones de Estado de un Fluido.

Cuando un cuerpo se pone en movimiento el aire alrededor se pega a él creando una capa muy fina de moléculas. El aire al escurrir sobre esta fina capa y debido a la viscosidad del fluido se genera un gradiente de velocidades a través de las capas circundantes. Así se forma una capa de moléculas de aire donde la última de ellas posee casi la misma velocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite.

Podemos concluir diciendo, que la velocidad del aire, justo en la superficie de todo cuerpo en movimiento, es cero. Esta capa límite, es la responsable del siguiente efecto que podemos apreciar.

Esta capa límite contribuye también a los gradientes de presión cerca de las superficies. Es decir, es la causante de que los fluidos se separen, se desprendan de los contornos de las superficies y generen turbulencia en las partes posteriores, las llamadas estelas.

El flujo alrededor de un cuerpo en movimiento puede ser laminar o turbulento. En este caso, trataremos con un flujo turbulento ya que la bicicleta se mueve a velocidades altas. A estas velocidades el flujo laminar se vuelve inestable y las capas del aire comienzan a separarse, como consecuencia el flujo se vuelve turbulento y el roce es mucho mayor. Sin embargo, la mayor fuerza de roce tiene lugar en la región de interfaz entre los dos flujos, sumando sus efectos alcanzando una velocidad de hasta 5 veces mayor que en la región del flujo turbulento. Cuando uno se traslada en bicicleta este rango de transición entre 2 flujos se encuentra entre los 15 y los 20 Km/h.

- Roce aerodinámico : El roce aerodinámico es producido por el choque de las moléculas que componen el aire que al colisionar con el objeto en movimiento hace que el fluido cambie su cantidad de movimiento y ejerza una fuerza normal a la superficie de contacto con el fluido. Cuanto mayor sea la velocidad a la que se desplace el objeto, mayor variación sufrirá la cantidad de movimiento de las moléculas y mayor será la fuerza normal que ejerzan. Por otra parte el deslizamiento de las moléculas también produce un importante roce.

En el caso de la bicicleta la ecuación más simple para calcular el Roce Aerodinámico es la siguiente:

Cv = Coeficiente de Velocidad.

Ca = Coeficiente de Área

v = distribución de velocidad del fluido

CD = Coeficiente de Arrastre

El coeficiente de Arrastre depende de la forma del objeto que circulará a través del fluido y del Número de Reynolds que a su vez depende de las condiciones de flujo del sistema.

Si se consigue evitar la separación en el flujo sobre un cuerpo, la capa límite permanece delgada, disminuyendo la presión de arrastre.