En física, ¿qué es una capa límite?

Una capa límite ocurre cuando un fluido fluye más allá de una superficie fija. Por lo general, se define como la región de fluido cuya velocidad es menor al 99% del flujo de fluido sin impedimentos. En otras palabras, es la zona de un fluido en movimiento que se ralentiza más del 1 por ciento por una superficie estacionaria. La capa límite se ha definido para comprender mejor la mecánica de fluidos dividiendo el flujo en dos regiones que muestran un comportamiento diferente. Las regiones dentro y fuera de la capa límite también generan fricción de diferentes maneras.

Un problema temprano en la investigación aerodinámica fue resolver las complejas ecuaciones de Navier-Stokes, que se cree que gobiernan el flujo de fluido. Hay muchos casos en los que no se conocen las soluciones a las ecuaciones de Navier-Stokes. Sin embargo, se observó que el flujo de fluido exhibía dos modos generales de comportamiento: laminar y turbulento. El flujo laminar es un flujo suave y predecible, como el de una bola que cae a través de la miel. El flujo turbulento es aleatorio y violento, como el que sale de una manguera contra incendios.

La capa límite separa estas dos zonas de flujo de fluido. Dentro de la capa límite, el flujo es principalmente laminar. En esta región, el comportamiento del flujo está dominado por tensiones viscosas. La tensión viscosa es directamente proporcional a la velocidad de un objeto que pasa; Un fluido altamente viscoso, como la miel, impone mucha fricción a los objetos que se mueven rápidamente a través de él. El flujo laminar se caracteriza por el fluido que fluye en líneas paralelas sin irregularidades.

Fuera de la capa límite, el flujo de fluido es predominantemente turbulento. El flujo turbulento, ya sea en un líquido o gas, muestra un comportamiento similar. Las variaciones caóticas en la velocidad y dirección de las partículas hacen que las predicciones precisas sean imposibles con el conocimiento actual. El efecto de la fricción en el flujo turbulento también es diferente del flujo laminar. La fricción generalmente ya no es proporcional a la velocidad del fluido en el régimen turbulento.

La razón por la cual las pelotas de golf tienen hoyuelos está relacionada con la capa límite de aire. A bajas velocidades, como durante la colocación, una pelota de golf perfectamente esférica no tendría mucho problema con la fricción del aire. Sin embargo, durante el vuelo a alta velocidad, las pelotas de golf esféricas tendrían una capa límite más grande que las pelotas con hoyuelos, lo que significaría que fluye más aire en forma laminar. Este flujo laminar en realidad causaría más fricción de aire que un flujo turbulento. Las pelotas de golf con hoyuelos vuelan más lejos que sus contrapartes esféricas porque tienen una capa límite más pequeña y no experimentan tanta fricción de aire.