¿Por qué se enfría tu brazo en lugar de calentarse cuando lo sacas por la ventana de un coche en movimiento?
El efecto de enfriamiento en tu brazo se debe a la pérdida de calor por convección y evaporación del sudor en la piel, que es mayor que el efecto de calentamiento causado por la fricción con las moléculas de aire a una velocidad tan baja.
En algún momento de tu vida, probablemente has extendido tu brazo por la ventana de un coche y has sentido una agradable sensación de frío. Curiosamente, cuanto más rápido se mueve el coche, más frío se siente.
En días calurosos, esta sensación de frío puede parecer desconcertante. Después de todo, cuando tu brazo está fuera del coche, constantemente interactúa con las moléculas de aire, lo que debería causar calentamiento debido a la fricción aerodinámica, en lugar de enfriamiento.
Además, ¿por qué se enfría tu brazo cuando viaja a 60 mph (96.5 km/h), mientras que una nave espacial que viaja a 25,000 mph (40,233 km/h) requiere un escudo térmico para protegerse contra el calentamiento aerodinámico?
Antes de adentrarnos en el punto principal, es crucial comprender los fundamentos de la fricción, la colisión y la transferencia de calor.
La Ciencia del Calor y el Movimiento Relativo
Fricción: No Te Moverás
Imagina que hay dos cajas de cartón apiladas una encima de la otra. De repente, ambas cajas son tiradas en direcciones opuestas. Es algo desafiante tirar de esas cajas, especialmente si las superficies deslizantes son rugosas. Esto se debe a que hay una fuerza que se opone al movimiento relativo de las cajas a medida que se mueven en direcciones opuestas.
Esta fuerza opuesta se conoce como fricción. Ocurre debido al entrelazamiento de las superficies rugosas entre sí, ya que empujar dos superficies entrelazadas requiere deformaciones físicas microscópicas para permitir un mayor movimiento.
La fricción también se puede observar en el movimiento de los líquidos. Un líquido fluye en capas, con la capa inferior moviéndose más lento y la capa superior moviéndose más rápido. Las capas intermedias se mueven a velocidades cada vez mayores en relación con la capa superior. Esta diferencia de velocidades entre las capas crea un movimiento relativo y genera una fuerza de fricción conocida como viscosidad. En términos más simples, esta fuerza de fricción también se conoce como arrastre. El mismo mecanismo se aplica al flujo de gases como el aire. El movimiento relativo de las capas es responsable de la fricción entre capas, también conocida como viscosidad.
La fuerza de fricción ocurre cuando dos superficies entran en contacto y se mueven de forma paralela entre sí. Esto resulta en la transferencia de energía cinética, parte de la cual se convierte en energía térmica. Esto provoca un aumento de la temperatura en la interfaz de las dos superficies. Cuando el aire golpea una superficie, ocurren dos procesos.
El primer proceso es la estancación de las moléculas de aire que golpean directamente la superficie debido a la geometría de la superficie. La energía cinética de estas moléculas se pierde por completo, lo que provoca un aumento de la presión en esa región. Esto se conoce como un punto de estancamiento. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo en los puntos de estancamiento está determinada por varios factores, incluyendo el coeficiente local de transferencia de calor, la entalpía de la capa de fluido en el punto de estancamiento, la entalpía de la pared (la superficie sólida) y la temperatura de la pared.
El segundo proceso implica colisiones tangenciales entre las moléculas de aire y la superficie. La mayoría de las moléculas se mueven de forma paralela a la superficie, haciendo contacto tangencial y alejándose. La energía cinética de estas moléculas permanece alta. Esto ocurre en una región de la superficie llamada región de gradiente de baja presión. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo en las regiones de gradiente de baja presión está determinada por factores como la entalpía de recuperación de la capa límite (que mide la pérdida de presión debido a la alta velocidad) y los mismos factores que en el primer proceso.
El efecto global de calentamiento causado por el aire, conocido como calentamiento aerodinámico, es la suma del calor transferido en el primer y segundo procesos.
El calor por fricción es responsable de encender el revestimiento de fósforo rojo en una cerilla. (Crédito de la foto: Pxhere)
Sensación térmica: Sentirás el frío
El cuerpo humano mantiene una temperatura central de aproximadamente 97oF—99oF (36.1oC – 37.2oC). Excepto durante el apogeo del verano, las temperaturas circundantes suelen rondar los 30oC o menos, lo cual es más frío que nuestra temperatura corporal. Cuando la piel entra en contacto con el aire exterior, el calor se transfiere del cuerpo (que tiene una temperatura más alta) al aire (que tiene una temperatura más baja). Esto provoca la formación de una capa delgada de aire cálido cerca de la piel, proporcionando aislamiento y evitando una mayor pérdida de calor.
Cuando el aire se mueve, la capa cálida es constantemente desplazada por aire más frío, lo que lleva a un ciclo constante de pérdida de calor. Esta pérdida de calor ocurre cuando el cuerpo transfiere calor al aire circundante, que luego es empujado por aire más frío y se calienta nuevamente. Como resultado, la temperatura de la piel disminuye, causando una sensación de frío. Este fenómeno se conoce como «sensación térmica». Además, si hay sudor en los brazos, el aire que se mueve rápidamente aumenta la tasa de evaporación de la piel, lo que resulta en una mayor pérdida de calor. El concepto de temperatura «se siente como» considera el efecto adicional de enfriamiento de los vientos de alta velocidad en la piel. Cuanto más rápido fluye el aire, más fuerte es la sensación térmica.
La tasa de transferencia de calor por unidad de tiempo, denotada como Q, se puede calcular utilizando la ecuación mostrada a continuación:
Esta ecuación tiene en cuenta el coeficiente de transferencia de calor por convección (h), el área expuesta (A), la temperatura del objeto más caliente (Thot) y la temperatura del objeto más frío (Tcold).
Calentamiento Aerodinámico versus Sensación Térmica por Viento
Después de adquirir conocimientos sobre los fundamentos de ambos procesos, surge una pregunta natural: ¿qué sucede cuando estos dos fenómenos se oponen entre sí? ¿Existe un punto determinado en el que la sensación térmica por viento sea reemplazada por el calentamiento aerodinámico?
A medida que la velocidad de un objeto aumenta, también aumenta la velocidad a la que pierde calor a través de la convección, lo que resulta en una disminución de la temperatura corporal. Esta pérdida de calor continúa ocurriendo a velocidades por debajo de la velocidad del sonido. Sin embargo, cuando el objeto supera el límite supersónico, el efecto de calentamiento se vuelve mucho más prominente. A velocidades superiores a Mach 2.0 (dos veces la velocidad del sonido, equivalente a 1534 m/h = 2469 km/h), se necesitan escudos térmicos para protegerse contra altas temperaturas de hasta 400oF/204oC. El efecto de calentamiento no es universalmente constante, ya que también depende de la forma y estructura del vehículo. En general, velocidades por encima de Mach 1.0 (1235 km/h o 767 m/h) pueden causar daños significativos a equipos eléctricos expuestos debido al intenso calor.
Volviendo a la pregunta inicial, ¡es posible que un brazo se caliente mientras está en movimiento, pero la velocidad necesaria para generar calentamiento aerodinámico tendría que ser extremadamente alta!