Fuerza de Arrastre, el Fenómeno de Separación y las Variables que Participan

Para poder entender y manejar el concepto de fuerza de arrastre primero hay que entender el concepto de capa límite del aire que es uno de los aspectos básicos del desarrollo de la mecánica de fluidos, esta es una capa muy delgada de aire cercana a los bordes donde los efectos de la viscosidad son importantes, mas específicamente es aquella capa de aire que se forma sobre la superficie de los cuerpos en movimiento y en la cual se ha demostrado que la velocidad del aire varía desde cero hasta la velocidad del flujo de aire sin obstáculos. Esta capa nos entrega también los gradientes de presión cerca de las superficies ya mencionadas y es la causante de que se desprendan los contornos de estas generando las llamadas estelas. En la siguiente figura podemos ver esquematizado el concepto de capa límite con velocidad constante:
En la región A la velocidad es la del fluido libre; en B la velocidad del fluido cambia de cero a 0,99V; en la región C hay turbulencia.

Existe también el llamado punto de separación, que es el punto en el que el flujo, debido a gradientes de presión que encontramos sobre la superficie de los cuerpos, deja de seguir el contorno del cuerpo (en este caso es el punto c). Ahora, si analizamos la capa límite, esta es arrastrada por el empuje del fluido y es retardada por la fricción en la pared, si la presión es favorable (que decrece en dirección del flujo), esta capa seguirá moviéndose hacia adelante. Pero como la velocidad cerca de la superficie es pequeña y la presión es favorable, el momentum del fluido puede ser insuficiente para abrirse el paso y esto podría hacer que el fluido se detenga o incluso retroceda. Es así como el flujo puede despegarse de la pared del cuerpo provocando el llamado fenómeno de separación.
Podemos ver este fenómeno en la siguiente figura, donde S es el punto de separación y L la línea de separación.

Podemos definir entonces la fuerza de arrastre como la fricción entre un objeto y el fluido por el que se mueve que actúa de manera opuesta al movimiento. Matemáticamente hablando la fuerza de arrastre es:
Donde las variables son:
Cd :coeficiente de arrastre.
rf : densidad del medio.
A : área de la sección transversal al movimiento.
v :la velocidad.
Sabemos tambíen que Cd es una función del número de Reynolds, Re( número valioso que sirve para definir el comportamiento de un fluido principalmente la transición del flujo laminar al turbulento). Re vale:
donde
l : longitud del objeto medida a lo largo de su sección transversal .
h : viscosidad dinámica del fluido.
Para un amplio intervalo de números Re, la forma funcional del coeficiente de arrastre Cd se puede escribir.
Para Re<1, el primer término domina. Para 1000 < Re < 200000, el coeficiente de arrastre Cd es aproximadamente igual a 0.4.
Como podemos ver, las variables que participan en la fuerza de arrastre son: