Efecto magnus y turbosail

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2024-01-10 20:39

En Australia, físicos aficionados han demostrado el efecto Magnus en acción. El video del experimento, publicado en el alojamiento de YouTube, ha recibido más de 9 millones de visitas.

El efecto Magnus es un fenómeno físico que ocurre cuando una corriente de líquido o gas fluye alrededor de un cuerpo en rotación. Cuando un cuerpo redondo volador gira a su alrededor, las capas de aire cercanas comienzan a circular. Como resultado, en vuelo, el cuerpo cambia su dirección de movimiento.

Para el experimento, los físicos aficionados eligieron una presa de 126,5 metros de altura y una pelota de baloncesto ordinaria. Al principio, la pelota simplemente fue arrojada hacia abajo, voló paralela a la presa y aterrizó en el punto marcado. La segunda vez, la bola se dejó caer, desplazándose ligeramente alrededor de su eje. La bola voladora voló a lo largo de una trayectoria inusual, demostrando claramente el efecto Magnus.

El efecto Magnus explica por qué en algunos deportes, como el fútbol, la pelota vuela en una trayectoria extraña. El ejemplo más llamativo del vuelo "anormal" de la pelota se pudo ver luego de un tiro libre del futbolista Roberto Carlos durante el partido del 3 de junio de 1997 entre las selecciones de Brasil y Francia.

¡El barco tiene velas turbo

La famosa serie documental "La odisea submarina del equipo Cousteau" fue filmada por el gran oceanógrafo francés en las décadas de 1960 y 1970. El barco principal del Cousteau se convirtió luego del dragaminas británico "Calypso". Pero en una de las películas posteriores, "Redescubrimiento del mundo", apareció otro barco, el yate "Alcyone".

Mirándolo, muchos espectadores se hicieron la pregunta: ¿qué son estas extrañas tuberías instaladas en el yate?.. ¿Quizás son tuberías de calderas o sistemas de propulsión? Imagina tu asombro si te enteras de que se trata de VELAS … turbosails …

El fondo Cousteau adquirió el yate "Alkion" en 1985, y este barco no se consideró tanto como un barco de investigación, sino como una base para estudiar la eficiencia de las turbosails, el sistema de propulsión original del barco. Y cuando, 11 años después, el legendario "Calypso" se hundió, el "Alkiona" tomó su lugar como el buque principal de la expedición (por cierto, hoy el "Calypso" se levantó y se encuentra en estado de semiproquedad en el puerto de Concarneau).

En realidad, el turboail fue inventado por Cousteau. Además de equipo de buceo, un platillo submarino y muchos otros dispositivos para explorar las profundidades del mar y la superficie de los océanos. La idea nació a principios de la década de 1980 y era crear el sistema de propulsión más ecológico, pero al mismo tiempo conveniente y moderno para una ave acuática. El uso de la energía eólica parece ser el área de investigación más prometedora. Pero aquí está la mala suerte: la humanidad inventó una vela hace varios miles de años, y ¿qué podría ser más simple y más lógico?

Por supuesto, Cousteau y su compañía entendieron que era imposible construir un barco propulsado exclusivamente por velas. Más precisamente, quizás, pero su rendimiento de conducción será muy mediocre y dependerá de los caprichos del clima y la dirección del viento. Por lo tanto, originalmente se planeó que la nueva "vela" solo sea una fuerza auxiliar, aplicable para ayudar a los motores diesel convencionales. Al mismo tiempo, una turbosail reduciría significativamente el consumo de combustible diesel y, en caso de viento fuerte, podría convertirse en la única propulsión de la embarcación. Y la mirada del equipo de investigación volvió al pasado, a la invención del ingeniero alemán Anton Flettner, el famoso diseñador de aviones, que hizo una contribución significativa a la construcción naval.

El rotor de Flettner y el efecto Magnus

El 16 de septiembre de 1922, Anton Flettner recibió una patente alemana para el llamado buque rotatorio. Y en octubre de 1924, el buque rotatorio experimental Buckau abandonó las existencias de la empresa de construcción naval Friedrich Krupp en Kiel. Es cierto que la goleta no se construyó desde cero: antes de la instalación de los rotores de Flettner, era un velero ordinario.

La idea de Flettner era utilizar el llamado efecto Magnus, cuya esencia es la siguiente: cuando una corriente de aire (o líquido) fluye alrededor de un cuerpo en rotación, se genera una fuerza que es perpendicular a la dirección del flujo y actúa sobre el cuerpo. El hecho es que un objeto giratorio crea un movimiento de vórtice a su alrededor. En el lado del objeto, donde la dirección del vórtice coincide con la dirección del flujo de líquido o gas, la velocidad del medio aumenta, y en el lado opuesto, disminuye. La diferencia de presión y crea una fuerza de corte dirigida desde el lado donde el sentido de rotación y el sentido de flujo son opuestos al lado donde coinciden.

Este efecto fue descubierto en 1852 por el físico berlinés Heinrich Magnus.

Efecto Magnus

El ingeniero aeronáutico e inventor alemán Anton Flettner (1885-1961) pasó a la historia de la navegación como un hombre que intentaba reemplazar las velas. Tuvo la oportunidad de viajar durante mucho tiempo en un velero a través de los océanos Atlántico e Índico. Se colocaron muchas velas en los mástiles de los veleros de esa época. El equipo de navegación era caro, complejo y aerodinámicamente poco eficiente. Los peligros constantes acechaban a los marineros que, incluso durante una tormenta, debían navegar a 40-50 metros de altura.

Durante la travesía, el joven ingeniero tuvo la idea de sustituir las velas, que requieren más esfuerzo, por un dispositivo más sencillo pero eficaz, cuya principal propulsión sería también el viento. Reflexionando sobre esto, recordó los experimentos aerodinámicos realizados por su físico compatriota Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). Descubrieron que cuando un cilindro gira en un flujo de aire, surge una fuerza transversal con una dirección que depende de la dirección de rotación del cilindro (efecto Magnus).

Uno de sus experimentos clásicos se veía así: “Un cilindro de latón podría girar entre dos puntos; la rápida rotación del cilindro fue impartida, como en una tapa, por una cuerda.

El cilindro giratorio se colocó en un marco que, a su vez, se podía girar fácilmente. Se envió un fuerte chorro de aire a este sistema mediante una pequeña bomba centrífuga. El cilindro se desvió en una dirección perpendicular a la corriente de aire y al eje del cilindro, además, en la dirección en la que las direcciones de rotación y el chorro eran las mismas "(L. Prandtl" The Magnus Effect and the Wind Ship ", 1925).

A. Flettner pensó inmediatamente que las velas podrían ser reemplazadas por cilindros rotativos instalados en el barco.

Resulta que donde la superficie del cilindro se mueve contra el flujo de aire, la velocidad del viento disminuye y la presión aumenta. En el otro lado del cilindro, ocurre lo contrario: la velocidad del flujo de aire aumenta y la presión disminuye. Esta diferencia de presión de diferentes lados del cilindro es la fuerza impulsora que hace que el recipiente se mueva. Este es el principio básico de funcionamiento de los equipos rotativos, que utilizan la fuerza del viento para mover la embarcación. Todo es muy sencillo, pero sólo A. Flettner "no pasó", aunque el efecto Magnus se conoce desde hace más de medio siglo.

Comenzó a implementar el plan en 1923 en un lago cerca de Berlín. De hecho, Flettner hizo algo bastante simple. Instaló un cilindro-rotor de papel de aproximadamente un metro de altura y 15 cm de diámetro en un barco de prueba de un metro de largo, y adaptó un mecanismo de reloj para rotarlo. Y el barco zarpó.

Los capitanes de los veleros se burlaban de los cilindros de A. Flettner, con los que quería sustituir las velas. El inventor logró interesar a los mecenas adinerados del arte con su invento. En 1924, en lugar de tres mástiles, se instalaron dos cilindros de rotor en la goleta de 54 metros "Buckau". Estos cilindros estaban propulsados por un generador diesel de 45 hp.

Los rotores del Bucau funcionaban con motores eléctricos. En realidad, no hubo diferencia con los experimentos clásicos de Magnus en el diseño. En el lado donde el rotor giraba contra el viento, se creaba un área de mayor presión, en el lado opuesto, un área de baja presión. La fuerza resultante es lo que propulsó la nave. Además, esta fuerza era aproximadamente 50 veces mayor que la fuerza de la presión del viento en un rotor estacionario.

Esto abrió grandes perspectivas para Flettner. Entre otras cosas, el área del rotor y su masa eran varias veces menores que el área del aparejo de vela, lo que habría dado la misma fuerza motriz. El rotor era mucho más fácil de controlar y su fabricación era bastante barata. Desde arriba, Flettner cubrió los rotores con planos de placa, lo que aumentó la fuerza motriz aproximadamente dos veces debido a la orientación correcta de los flujos de aire en relación con el rotor. La altura y el diámetro óptimos del rotor para "Bukau" se calcularon soplando un modelo del futuro barco en un túnel de viento.

El rotor de Flettner demostró ser excelente. A diferencia de un velero ordinario, un barco rotatorio prácticamente no temía el mal tiempo y los fuertes vientos laterales, podía navegar fácilmente con viradas alternas en un ángulo de 25º con el viento en contra (para una vela normal, el límite es de unos 45º). Dos rotores cilíndricos (altura 13,1 m, diámetro 1,5 m) permitieron equilibrar perfectamente la embarcación; resultó ser más estable que el velero que era Bukau antes de la reestructuración.

Las pruebas se llevaron a cabo en un clima tranquilo, en una tormenta y con una sobrecarga deliberada, y no se identificaron deficiencias graves. Lo más ventajoso para el movimiento de la embarcación era la dirección del viento exactamente perpendicular al eje de la embarcación, y la dirección de movimiento (hacia adelante o hacia atrás) estaba determinada por la dirección de rotación de los rotores.

A mediados de febrero de 1925, la goleta Buckau, equipada con rotores de Flettner en lugar de velas, partió de Danzig (ahora Gdansk) hacia Escocia. Hacía mal tiempo y la mayoría de los veleros no se atrevía a salir de los puertos. En el Mar del Norte, el Buckau tuvo que lidiar seriamente con vientos fuertes y grandes olas, pero la goleta escora a bordo menos que otros veleros encontrados.

Durante esta travesía, no fue necesario acudir a cubierta a los tripulantes para cambiar de vela en función de la fuerza o dirección del viento. Bastaba un navegante de la guardia, que, sin salir de la timonera, podía controlar la actividad de los rotores. Anteriormente, la tripulación de una goleta de tres mástiles estaba formada por al menos 20 marineros, luego de su conversión en un barco rotatorio, 10 personas eran suficientes.

En el mismo año, el astillero sentó las bases para el segundo barco giratorio: el poderoso transatlántico de carga "Barbara", propulsado por tres rotores de 17 metros. Al mismo tiempo, un motor pequeño con una capacidad de solo 35 hp era suficiente para cada rotor. (a la velocidad máxima de rotación de cada rotor 160 rpm)! El empuje del rotor era equivalente al de una hélice impulsada por hélice junto con un motor diesel de barco convencional con una capacidad de aproximadamente 1000 hp. Sin embargo, un motor diesel también estaba disponible en el barco: además de los rotores, puso en movimiento una hélice (que seguía siendo el único dispositivo de propulsión en caso de tiempo tranquilo).

Experimentos prometedores llevaron a la compañía naviera Rob. M. Sloman de Hamburgo a construir el barco Barbara en 1926. Se planeó de antemano equipar turbosails: los rotores de Flettner. En una embarcación de 90 m de largo y 13 m de ancho, se montaron tres rotores con una altura de aproximadamente 17 m.

Barbara ha estado transportando fruta con éxito desde Italia a Hamburgo durante algún tiempo, como estaba previsto. Aproximadamente entre el 30 y el 40% del tiempo de viaje el barco navegaba debido a la fuerza del viento. Con un viento de 4-6 puntos "Barbara" desarrolló una velocidad de 13 nudos.

Se planeó probar el barco rotatorio en viajes más largos en el Océano Atlántico.

Pero a fines de la década de 1920, golpeó la Gran Depresión. En 1929, la empresa de alquiler abandonó el contrato de arrendamiento adicional del Barbara y fue vendida. El nuevo propietario quitó los rotores y reacondicionó el barco de acuerdo con el esquema tradicional. Aún así, el rotor perdió frente a las hélices de tornillo en combinación con una planta de energía diesel convencional debido a su dependencia del viento y ciertas limitaciones de potencia y velocidad. Flettner recurrió a investigaciones más avanzadas y Baden-Baden finalmente se hundió durante una tormenta en el Caribe en 1931. Y se olvidaron de las velas rotativas durante mucho tiempo …

El comienzo de los vasos rotatorios, al parecer, fue bastante exitoso, pero no recibieron desarrollo y se olvidaron durante mucho tiempo. ¿Por qué? Primero, el "padre" de los buques rotativos A. Flettner se sumergió en la creación de helicópteros y dejó de interesarse por el transporte marítimo. En segundo lugar, a pesar de todas sus ventajas, los barcos rotativos han seguido siendo barcos de vela con sus desventajas inherentes, la principal de las cuales es la dependencia del viento.

Los rotores de Flettner volvieron a interesarse en los años 80 del siglo XX, cuando los científicos comenzaron a proponer diversas medidas para mitigar el calentamiento climático, reducir la contaminación y un uso más racional del combustible. Uno de los primeros en recordarlos fue el explorador francés Jacques-Yves Cousteau (1910-1997). Para probar el funcionamiento del sistema de turbosail y reducir el consumo de combustible, el catamarán de dos mástiles "Alcyone" (Alcyone es la hija del dios de los vientos Aeolus) se convirtió en un barco rotatorio. Habiendo emprendido un viaje por mar en 1985, viajó a Canadá y América, rodeó el Cabo de Hornos, pasó por alto Australia e Indonesia, Madagascar y Sudáfrica. Fue trasladado al Mar Caspio, donde navegó durante tres meses, realizando diversas investigaciones. Alcyone todavía utiliza dos sistemas de propulsión diferentes: dos motores diésel y dos turbovelas.

Turbo vela Cousteau

Los veleros se construyeron a lo largo del siglo XX. En los barcos modernos de este tipo, el armamento de vela se pliega con la ayuda de motores eléctricos, los nuevos materiales permiten aligerar significativamente la estructura. Pero un velero es un velero, y la idea de utilizar la energía eólica de una manera radicalmente nueva ha estado en el aire desde los días de Flettner. Y fue recogida por el incansable aventurero y explorador Jacques-Yves Cousteau.

El 23 de diciembre de 1986, después de que se lanzara el Alcyone mencionado al principio del artículo, Cousteau y sus colegas Lucien Malavar y Bertrand Charier recibieron la patente conjunta No. US4630997 para "un dispositivo que crea fuerza mediante el uso de un líquido o gas en movimiento. " La descripción general dice lo siguiente: “El dispositivo se coloca en un entorno que se mueve en una dirección determinada; en este caso, surge una fuerza que actúa en una dirección perpendicular a la primera. El dispositivo evita el uso de velas masivas, en las que la fuerza motriz es proporcional al área de la vela ". ¿Cuál es la diferencia entre el turbosail de Cousteau y la vela giratoria de Flettner?

En sección transversal, una turbosail es algo así como una gota alargada redondeada desde el extremo afilado. A los lados de la "gota" hay rejillas de entrada de aire, a través de una de las cuales (según la necesidad de avanzar o retroceder) se aspira el aire. Para la succión de viento más eficiente, se instala un pequeño ventilador impulsado por un motor eléctrico en la entrada de aire de la vela turbo.

Aumenta artificialmente la velocidad del movimiento del aire desde el lado de sotavento de la vela, aspirando la corriente de aire en el momento de su separación del plano de la turboravela. Esto crea un vacío en un lado de la turbosail al tiempo que evita la formación de vórtices turbulentos. Y luego actúa el efecto Magnus: enrarecimiento en un lado, como resultado, una fuerza transversal capaz de poner la nave en movimiento. En realidad, una turbosail es un ala de avión colocada verticalmente, al menos el principio de crear una fuerza propulsora es similar al principio de crear una sustentación de un avión. Para garantizar que la turbosail siempre gire hacia el viento en la dirección más ventajosa, está equipada con sensores especiales y está instalada en un plato giratorio. Por cierto, la patente de Cousteau implica que el aire puede ser succionado desde el interior de una turbonavela no solo por un ventilador, sino también, por ejemplo, por una bomba de aire; por lo tanto, Cousteau cerró la puerta a los "inventores" posteriores.

De hecho, por primera vez, Cousteau probó un prototipo de turbosail en el catamarán Moulin à Vent en 1981. La mayor navegación exitosa del catamarán fue un viaje desde Tánger (Marruecos) a Nueva York bajo la supervisión de un barco de expedición más grande.

Y en abril de 1985, en el puerto de La Rochelle, se botó el Alcyone, el primer barco en toda regla equipado con turbovelas. Ahora todavía está en movimiento y hoy es el buque insignia (y, de hecho, el único barco grande) de la flotilla Cousteau. Las velas turbo no son el único motor, pero ayudan al acoplamiento habitual de dos motores diesel y

varios tornillos (lo que, por cierto, reduce el consumo de combustible en aproximadamente un tercio). Si el gran oceanógrafo estuviera vivo, probablemente habría construido varios barcos más similares, pero el entusiasmo de sus asociados después de la partida de Cousteau disminuyó notablemente.

Poco antes de su muerte en 1997, Cousteau estaba trabajando activamente en el proyecto del barco "Calypso II" con turborreactor, pero no logró completarlo. Según los últimos datos, en el invierno de 2011, "Alkiona" estaba en el puerto de Caen y estaba esperando una nueva expedición.

Y otra vez Flettner

Hoy en día, se están haciendo intentos para revivir la idea de Flettner y hacer que las velas rotativas se generalicen. Por ejemplo, la famosa empresa de Hamburgo Blohm + Voss, después de la crisis del petróleo de 1973, comenzó el desarrollo activo de un petrolero rotativo, pero en 1986, los factores económicos cubrieron este proyecto. Luego hubo toda una serie de diseños de aficionados.

En 2007, los estudiantes de la Universidad de Flensburg construyeron un catamarán propulsado por una vela giratoria (Uni-cat Flensburg).

En 2010, apareció el tercer barco con velas giratorias: el camión pesado E-Ship 1, que fue construido por orden de Enercon, uno de los mayores fabricantes de turbinas eólicas del mundo. El 6 de julio de 2010, el barco se botó por primera vez e hizo un viaje corto desde Emden a Bremerhaven. Y ya en agosto, realizó su primer viaje de trabajo a Irlanda con una carga de nueve aerogeneradores. La embarcación está equipada con cuatro rotores Flettner y, por supuesto, un sistema de propulsión tradicional en caso de calma y para potencia adicional. Aún así, las velas giratorias sirven solo como hélices auxiliares: para un camión de 130 metros, su potencia no es suficiente para desarrollar la velocidad adecuada. Los motores son nueve plantas de energía de Mitsubishi y los rotores funcionan con una turbina de vapor Siemens que utiliza energía de los gases de escape. Las velas giratorias proporcionan un ahorro de combustible del 30 al 40% a 16 nudos.

Pero el turborreactor de Cousteau aún permanece en el olvido: "Alcyone" es hoy el único barco de tamaño completo con este tipo de propulsión. La experiencia de los constructores navales alemanes mostrará si tiene sentido seguir desarrollando el tema de las velas que operan con el efecto Magnus. Lo principal es encontrar un caso comercial para esto y demostrar su efectividad. Y allí, como ve, todo el transporte marítimo mundial se moverá según el principio que describió un talentoso científico alemán hace más de 150 años.

El 2 de agosto de 2010, el mayor fabricante mundial de plantas de energía eólica, Enercon, lanzó un buque rotatorio de 130 metros y 22 m de ancho, que más tarde se denominó “E-Ship 1”, en el astillero de Lindenau en Kiel. Luego se probó con éxito en los mares del Norte y Mediterráneo, y actualmente transporta aerogeneradores desde Alemania, donde se producen, a otros países europeos. Desarrolla una velocidad de 17 nudos (32 km / h), transporta simultáneamente más de 9 mil toneladas de carga, su tripulación es de 15 personas.

La compañía naviera con sede en Singapur Wind Again, una tecnología de reducción de emisiones y combustible, ofrece rotores Flettner especialmente diseñados (plegables) para buques cisterna y cargueros. Reducirán el consumo de combustible en un 30-40% y se amortizarán en 3-5 años.

La empresa finlandesa de ingeniería naval Wartsila ya está planeando adaptar turbosalas en los transbordadores de crucero. Esto se debe al deseo del operador de ferry finlandés Viking Line de reducir el consumo de combustible y la contaminación ambiental.

La Universidad de Flensburg (Alemania) está estudiando el uso de rotores Flettner en embarcaciones de recreo. El aumento de los precios del petróleo y el alarmante calentamiento del clima parecen ser condiciones favorables para el regreso de las turbinas eólicas.