L'efecte Coandă és un fenomen físic de la mecànica de fluids que fa referència a la tendència que tenen els fluids, com l'aire o l'aigua, a adherir-se a una superfície corba en lloc de seguir una trajectòria recta.
Aquest fenomen de la dinàmica de fluids es pot observar en diverses situacions des del vol d'un avió fins al funcionament d'una turbina de vapor.
Explicació física
Per comprendre millor l'efecte Coandă, és útil recordar alguns conceptes bàsics sobre la naturalesa dels fluids. Els fluids, ja siguin líquids o gasos, tendeixen a moure's des d'àrees d'alta pressió cap a àrees de baixa pressió.
Quan l'aire flueix al voltant d'una superfície corbada, la pressió de l'aire a la part exterior de la corba és més gran que a la part interior. Això crea una força que empeny l'aire cap a la superfície corba, fent que s'hi adhereixi en lloc de continuar en línia recta.
Les partícules del fluid s'adhereixen a la superfície a causa d'una combinació de forces que hi actuen. Quan un fluid, ja sigui un gas o un líquid, flueix sobre una superfície corba, es generen diferències en la pressió del fluid al llarg de la superfície que generen una força resultant que actua sobre les partícules del fluid, empenyent-les cap a la superfície corba .
Capa límit
Un dels factors clau que contribueixen a aquesta adhesió és el gradient de velocitat del fluid. A la capa límit, que és la regió del fluid que està en contacte directe amb la superfície, la velocitat del fluid disminueix gradualment des de zero a la superfície fins al valor del flux lliure.
Aquesta disminució de la velocitat crea un gradient de velocitat que indueix una força d'arrossegament sobre les partícules del fluid, atraient-les cap a la superfície.
Viscositat del fluid
A més, la viscositat del fluid també té un paper important. La viscositat és la resistència del fluid al flux i afecta com es comporten les capes de fluid adjacents a la superfície.
En presència d'una superfície corba, la viscositat del fluid fa que les partícules en contacte amb la superfície s'hi adhereixin, seguint el seu contorn en lloc de separar-se i seguir una trajectòria recta.
Explicació molecular
Des d´una perspectiva molecular, l´adhesió de les partícules del fluid a una superfície es pot entendre en termes de forces intermoleculars i el moviment de les molècules individuals dins del fluid.
En un fluid les molècules estan constantment en moviment i xocant entre si. Quan el fluid flueix sobre una superfície sòlida, les molècules a la capa límit que està en contacte directe amb la superfície experimenten forces atractives cap a la superfície a causa de les interaccions intermoleculars.
Per exemple, en el cas de l'aire, les molècules de gas interactuen principalment a través de forces de Van der Waals i atraccions dipol-dipol. Aquestes forces fan que les molècules daire properes a la superfície sòlida se sentin atretes cap a ella.
A mesura que les molècules del fluid s'acosten a la superfície sòlida, la seva velocitat disminueix a causa d'aquestes forces atractives i de les col·lisions amb altres molècules. Això resulta en una disminució gradual de la velocitat del fluid a mesura que ens apropem a la superfície sòlida, creant el gradient de velocitat característic de la capa límit esmentada anteriorment.
Des del punt de vista de la viscositat, en un fluid viscós les molècules estan més fortament unides entre si, cosa que augmenta la resistència al flux i fa que les molècules en contacte amb la superfície sòlida s'hi adhereixin més fàcilment.
Descobriment del fenomen: Henri Coandă
El descobriment de l'efecte Coandă es va produir gràcies a l'enginyer romanès Henri Coandă a la dècada del 1930. Coandă estava experimentant amb un motor de reacció que havia dissenyat quan va notar un fenomen inesperat: el flux d'aire no es comportava com ell esperava.
Coandă va observar que quan un raig d'aire sortia d'un tub i passava sobre una superfície corba, com la vora d'un plat, en lloc de mantenir una trajectòria recta, l'aire s'adheria a la superfície corba i la seguia. Aquest descobriment contradeia les expectatives convencionals sobre el comportament dels fluids en moviment.
Posteriorment, va continuar investigant aquest fenomen i va descobrir que l'efecte era degut a diferències en la pressió de l'aire al llarg de la superfície corba, que generaven una força de succió que atreia el flux d'aire cap a la superfície.
Exemples i aplicacions
Aquest principi té implicacions importants en diverses àrees de la física, la vida quotidiana i l'enginyeria.
Aviació
Per exemple, a l'aviació, aquest efecte s'aprofita en el disseny d'ales i superfícies de control d'aeronaus.
A l'ala d'un avió, l'efecte Coandă es manifesta quan l'aire que flueix sobre la superfície superior de l'ala s'adhereix al contorn corbat, creant una zona de baixa pressió. Això resulta en una diferència de pressió que genera sustentació, permetent a l'avió mantenir-se a l'aire.
D'altra banda, en una hèlix d'helicòpter, l'efecte Coandă impulsa el flux d'aire cap avall i proporciona l'empenta necessària per elevar l'helicòpter. Tots dos fenòmens il·lustren com el disseny aerodinàmic aprofita el flux d'aire per assolir el vol i la propulsió.
Meteorologia i corrents de vent
L'efecte Coandă també té implicacions en meteorologia, especialment en la formació i el comportament dels núvols i els vents atmosfèrics. L'efecte Coandă pot influir en la direcció i la velocitat del flux atmosfèric al voltant d'obstacles naturals, com ara muntanyes, edificis i cossos d'aigua.
Quan el vent flueix al voltant d'una muntanya, per exemple, passa una cosa semblant a l'efecte Coandă: el vent tendeix a adherir-se a la superfície de la muntanya i segueix el seu contorn en lloc de fluir-hi directament.
Això pot donar lloc a fenòmens meteorològics interessants, com la formació de núvols lenticulars al cim de les muntanyes, on l'aire humit es refreda i condensa en elevar-se sobre la muntanya i després es desplaça cap avall pel costat oposat.
A més, també pot influir en la direcció del vent a àrees urbanes on hi ha edificis i estructures. El vent que flueix al voltant dels edificis pot seguir els seus contorns i crear zones de vent accelerat o remolí.
Energia eòlica
Els aerogeneradors són dispositius utilitzats per convertir lenergia cinètica del vent en energia elèctrica. En aquests sistemes, el flux d'aire al voltant de les aspes de l'aerogenerador està influenciat per l'efecte Coandă, cosa que n'afecta el rendiment i la capacitat de generació d'energia.
Quan el vent flueix sobre les aspes de l'aerogenerador, l'aire tendeix a adherir-se a la superfície corba de les aspes ia seguir-ne el contorn en lloc de fluir-hi directament.
En seguir el contorn de les aspes, el flux dʻaire crea diferències de pressió que generen forces aerodinàmiques, impulsant així el moviment de les aspes i generant energia mecànica. Aquesta energia mecànica es converteix després en energia elèctrica mitjançant un generador.
Turbines de vapor
L'efecte Coandă també pot influir en el disseny i el funcionament de les turbines de vapor en una central nuclear. Aquestes turbines converteixen lenergia tèrmica del vapor generat pel reactor nuclear en energia mecànica per generar electricitat.
En una turbina de vapor, el vapor d'aigua a alta pressió es dirigeix a través d'una sèrie d'àleps fixos i mòbils a la turbina. Quan el vapor flueix sobre aquests àleps, s'expandeix i pateix una disminució de pressió, cosa que genera forces d'empenta que fan girar la turbina.
A mesura que el vapor flueix sobre els àleps, tendeix a adherir-se a les superfícies corbes dels mateixos i seguir-ne el contorn. Aquesta adhesió del vapor d'aigua als àleps afecta el flux del vapor i la distribució de les forces d'empenta sobre la superfície dels àleps depenent de la forma i la disposició.