La resistencia aerodinámica es una “barrera” importante en aviones de alta velocidad, automóviles y trenes bala. Esto se debe a que un diseño con menor resistencia aerodinámica permite que la aeronave se mueva a velocidades más altas con menos energía.
Cuando un avión o la carrocería de un automóvil se mueven a gran velocidad, se forma en su superficie una fina capa de aire llamada «capa límite». Esta capa límite tiene dos estados: flujo laminar, en el que el aire fluye de forma ordenada, y flujo turbulento, que implica turbulencia.
Cuanto más tiempo permanece el aire en el estado de flujo laminar con baja fricción, menor es la resistencia del aire, pero a medida que aumenta la velocidad del aire, pasa a flujo turbulento. La clave para reducir la resistencia aerodinámica es cómo retrasar esta transición a la turbulencia.
Desde hace más de 80 años, el principio de “la superficie de un objeto debe ser lisa” ha sido la premisa básica de la ingeniería aeronáutica en todo el mundo para suprimir la transición a las turbulencias y reducir la resistencia aerodinámica. Esta premisa se basó en los resultados de un estudio de 1940 realizado por Ichiro Tani, un aerodinámico japonés que demostró cuantitativamente la relación entre la “rugosidad de la superficie” (un indicador del estado de la superficie mecanizada) y la transición turbulenta, argumentando que la rugosidad de la superficie, que era inevitable con la tecnología de fabricación de la época, impedía que se realizara el flujo laminar.
Sin embargo, en 1989 Tani reinterpretó los datos experimentales sobre tuberías de superficie rugosa obtenidos por el ingeniero de fluidos Johann Nikulase en la década de 1930, aportando una nueva perspectiva de que «la rugosidad no necesariamente sólo promueve la transición turbulenta y aumenta la resistencia de los fluidos». Heredando esta idea, un grupo de investigación dirigido por Yasuaki Kohama de la Universidad de Tohoku demostró experimentalmente en la década de 1990 que las superficies fibrosas rugosas, que tienen finas irregularidades fibrosas en su superficie, tienen el efecto de retrasar la transición bajo ciertas condiciones.
El mismo equipo de investigación de la Universidad de Tohoku anunció recientemente un descubrimiento que avanza significativamente esta tendencia. Aiko Yakino, profesora asociada del Instituto de Ciencia de Fluidos de la Universidad de Tohoku, y su grupo de investigación fueron los primeros en el mundo en demostrar que la resistencia aerodinámica se puede reducir hasta en un 43,6 por ciento simplemente aplicando microrrugosidad distribuida (DMR), una rugosidad superficial tan fina e irregular que no se puede distinguir a simple vista.
Esta tecnología es fundamentalmente diferente del “proceso de riachuelo (piel de tiburón)”, que se conoce como una tecnología típica de reducción de la resistencia aerodinámica. El proceso de riachuelo imita los finos surcos longitudinales de la piel de tiburón y, al tallar surcos de aproximadamente 0,1 mm de ancho a lo largo de la dirección del flujo de aire, alinea los vórtices que se producen cerca de la superficie de la pared de las áreas de flujo de aire turbulento. El DMR, por otro lado, retrasa el cambio de flujo laminar a turbulento mediante pequeñas irregularidades aleatorias. Las zonas de flujo a las que afecta y los mecanismos que emplea se basan en conceptos completamente diferentes.
Medición precisa en un túnel de viento sin barras de soporte
Un factor clave en este logro fue el uso de un método de experimento en túnel de viento diferente al anterior. Los experimentos convencionales en túnel de viento tenían limitaciones estructurales: las varillas y cables de soporte esenciales para sostener el modelo interrumpieron el flujo de aire, anulando los cambios mínimos en la resistencia del aire causados por la rugosidad a microescala.
El sistema de equilibrio de soporte magnético de 1 metro más grande del mundo (1m-MSBS), propiedad del Instituto de Ciencia de Fluidos de la Universidad de Tohoku, ha resuelto fundamentalmente este problema. Este dispositivo puede hacer levitar un modelo aerodinámico de aproximadamente 1,07 m de longitud dentro de un túnel de viento sin contacto mediante fuerza electromagnética. Debido a que no utiliza varillas de soporte ni otros medios, elimina por completo la interferencia con el flujo de aire alrededor del modelo.
Yakino y su equipo midieron con precisión el coeficiente de resistencia total en superficies lisas y recubiertas con DMR en una amplia gama de números de Reynolds (relación entre fuerzas inerciales y viscosas que actúan sobre el fluido) (Re = 0,35 x 10⁶ a 3,6 x 10⁶).
