El túnel climático de Viena permite a los ingenieros exponer a los sujetos de prueba a temperaturas extremas. Es uno de los únicos túneles del mundo que puede albergar vagones de tamaño completo. Cortesía de RTA La humanidad siempre ha envidiado a las aves. Podríamos pasar la parte de comer gusanos, pero su dominio del vuelo ayudó a encender nuestros anhelos de elevarnos a los cielos. En diferentes grados, la gente ha realizado el sueño de volar. Pero 727, misiles transbordadores espaciales, coches de carreras ultrarrápidos, lanchas rápidas, Las bicicletas de carrera e incluso los tipos de chips de computadora podrían no haberse dado cuenta si no hubiera sido por un desarrollo tecnológico relacionado:el túnel de viento.
Túneles de viento son utilizados por ingenieros para probar la aerodinámica de muchos objetos, desde alas de jet hasta parabrisas de automóviles. Aerodinámica como ciencia estudia el flujo de aire o gases alrededor de un objeto en movimiento. Con una mejor comprensión de la forma en que el aire se mueve alrededor (oa través de) los objetos, los fabricantes pueden diseñar y crear más rápido, más seguro productos más fiables y eficientes de todo tipo.
De balancearse brisas inestables a ráfagas con fuerza de huracán, El viento de la Madre Tierra es una condición notoriamente voluble, y por lo tanto, prácticamente inútil para las pruebas aerodinámicas. Túneles de viento, por otra parte, proporcionar un entorno controlado para este tipo de pruebas.
Los túneles de viento son simplemente tubos huecos; en un extremo, tienen ventiladores potentes que crean un flujo de aire dentro del túnel. Algunos túneles tienen el tamaño de un escritorio y son buenos para probar solo objetos muy pequeños. Otros túneles son estructuras masivas en las que los ingenieros prueban aviones y automóviles de tamaño completo. Aunque los materiales de prueba (generalmente) permanecen estacionarios, El rápido flujo de aire dentro del túnel hace que parezca que los objetos se mueven.
Típicamente, Hay sensores e instrumentos dentro de los túneles de viento que brindan a los científicos datos concretos sobre la interacción de un objeto con el viento. Y a menudo, hay ventanas que permiten a esos mismos científicos observar experimentos visualmente. Con esos datos y observaciones, Los ingenieros lidian con variables de la aerodinámica como la presión, velocidad, temperatura y densidad. Ellos miden la elevación arrastrar, ondas de choque y otras condiciones que afectan a los aviones y otros artilugios que aceleran a través del viento. Además, Estos túneles pueden ayudar a los ingenieros a descubrir cómo el viento interactúa con los objetos estacionarios. como edificios y puentes, y encuentre formas de hacerlos más fuertes y seguros.
En breve, muchas de nuestras maravillas modernas son más avanzadas gracias a los túneles de viento. Pero fue el sueño de volar lo que primero dio aliento a estas máquinas ventosas. Próximo, leerá cómo los túneles de viento llegaron a la escena y exactamente cómo funcionan. Primero, agarre su sombrero con dos puños, aunque, porque este es un tema que podría dejarlo boquiabierto.
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Los primeros diseños de aviones y planeadores tenían muchas características similares a las de los pájaros. Los túneles de viento demostraron que muchas de esas ideas eran bastante ingeniosas. Stringer / Hulton Archive / Getty Images Con la esperanza de llevar a los humanos a los cielos, Los primeros ingenieros de vuelo intentaron seguir el ejemplo de las aves. Leonardo da Vinci, por ejemplo, esbozó un llamado "ornitóptero" en 1485. Sin embargo, nuestros amigos alados resultaron menos que útiles cuando se trataba de revelar los secretos del vuelo. Numerosos inventores fabricaron máquinas inspiradas en pájaros, solo para verlos flotar sin poder hacer nada en la tierra.
Quedó claro que para que los humanos pudieran volar, necesitaban una mejor comprensión de la interacción entre alas y vientos. Entonces, estos incipientes aficionados al vuelo fueron en busca de las cimas de las colinas, valles y cuevas con poderosos, vientos algo predecibles. Pero los vientos naturales no proporcionaron el flujo constante que podría ofrecer información útil sobre el diseño:los vientos artificiales eran necesarios.
Entran los brazos giratorios. En 1746, Benjamin Robins, un matemático y científico inglés, adjunto un brazo horizontal a un poste vertical, que hizo girar, enviando el brazo girando en un círculo. Al final del brazo, colocó una variedad de objetos y los sometió a las fuerzas de su centrífuga casera. Sus pruebas confirmaron inmediatamente que la forma de las cosas tenía un efecto tremendo en la resistencia del aire (también conocido como arrastrar, un elemento de fuerza aerodinámica).
Otros experimentadores, como Sir George Cayley, pronto construyó brazos giratorios. Cayley, en particular, probado superficie sustentadora formas que se parecía mucho a la sección transversal del ala de un avión, para investigar principios de arrastre y elevar . La elevación es un elemento de fuerza que se mueve perpendicularmente a la dirección del movimiento de un objeto.
El brazo giratorio tuvo un efecto secundario grave, sin embargo, en que cortó el aire mientras giraba, básicamente creando una turbulencia infernal que tuvo un gran impacto en todos los resultados y observaciones. Pero el brazo resultó en un avance monumental:los ingenieros comenzaron a darse cuenta de que al impulsar rápidamente un objeto a través del aire, podrían desarrollar sustentación. Eso significaba que no era necesario construir alas batientes para volar. En lugar de, los humanos necesitaban suficiente poder y el tipo correcto de construcción de alas. Los científicos necesitaban mejores herramientas de investigación para resolver esas importantes preguntas. Los túneles de viento fueron la respuesta.
En la página siguiente, descubrirás cómo los brazos giratorios evolucionaron hasta convertirse en túneles de viento, y verás cómo esos túneles fueron fundamentales para uno de los mayores logros tecnológicos en la historia de la humanidad.
El túnel de viento que construyeron los hermanos Wright ayudó a cambiar el curso de la historia tecnológica humana. Stringer / Hulton Archive / Getty Images Debido a que los brazos giratorios cortaron el aire y crearon una estela que invalidaba muchos experimentos, los científicos necesitaban más calma, vientos artificiales. Frank H. Wenham, un inglés activo en la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, convenció a la organización de ayudar a financiar la construcción del primer túnel de viento, que debutó en 1871.
El túnel de Wenham tenía 3,7 metros de largo y 45,7 centímetros cuadrados. Produjo vientos de 40 millas por hora (64 kilómetros por hora), gracias a un ventilador de vapor al final del túnel. En su tunel, Wenham probó los efectos de la sustentación y el arrastre en superficies aerodinámicas de diferentes formas. Mientras movía el borde delantero (llamado el borde de ataque ) del perfil aerodinámico hacia arriba y hacia abajo, cambiando lo que se llama el ángulo de ataque, descubrió que ciertas formas resultaban en una mejor elevación de lo previsto. El vuelo impulsado por hombres de repente parecía más posible que nunca.
Sin embargo, el diseño tosco del túnel creó vientos que eran demasiado inestables para obtener resultados de prueba consistentes. Se necesitaban mejores túneles para realizar pruebas sistemáticas y obtener resultados fiables. En 1894, El inglés Horatio Philips sustituyó a los ventiladores por un sistema de inyección de vapor, resultando en más estable, flujo de aire menos turbulento.
Al otro lado del océano atlántico, en Ohio, Los hermanos Wright, Orville y Wilbur, estaban siguiendo los desarrollos en los estudios de aerodinámica y evocando ideas para diseños de planeadores. Pero las pruebas de sus modelos en el mundo real estaban demostrando ser demasiado laboriosas; tampoco les proporcionó datos suficientes para mejorar sus planes.
Sabían que necesitaban un túnel de viento. Entonces, después de algunos retoques, construyeron un túnel con una sección de prueba de 40,6 centímetros (16 pulgadas). Experimentaron con alrededor de 200 tipos diferentes de formas de alas uniendo aspas aerodinámicas a dos equilibrios:uno para el arrastre, y uno para ascensor. Las balanzas convirtieron el rendimiento de la superficie aerodinámica en una acción mecánica medible que los hermanos utilizaron para completar sus cálculos.
Despacio, trabajaron para encontrar la combinación correcta de resistencia y sustentación. Comenzaron a darse cuenta de que estrecho las alas largas resultaron en mucha más sustentación que las cortas, alas gruesas, y en 1903, sus meticulosas pruebas en el túnel de viento dieron sus frutos. Los hermanos Wright volaron los primeros tripulados, avión propulsado en Kill Devil Hills, N.C. Había comenzado una nueva era de innovación tecnológica, en gran parte gracias a los túneles de viento.
Próximo, Verá exactamente cómo los túneles de viento hacen funcionar su magia invisible y ayudarán a impulsar a la humanidad a una nueva era tecnológica.
Aquí hay un diagrama útil para ayudarlo a visualizar los componentes de un túnel de viento. Como funcionan las cosas Los primeros túneles de viento eran simplemente conductos con ventiladores en un extremo. Estos túneles se entrecortaron aire desigual, por lo que los ingenieros trabajaron constantemente para mejorar el flujo de aire ajustando los diseños de los túneles. Los túneles modernos proporcionan un flujo de aire mucho más suave gracias a un diseño fundamental que incorpora cinco secciones básicas:la cámara de sedimentación, cono de contracción, sección de prueba, difusor y sección de accionamiento.
El aire es un remolino desorden caótico al entrar en el túnel. los cámara de sedimentación hace exactamente lo que su nombre implica:ayuda a asentar y enderezar el aire, a menudo mediante el uso de paneles con orificios en forma de panal o incluso una pantalla de malla. A continuación, el aire se fuerza inmediatamente a través del cono de contracción , un espacio reducido que aumenta enormemente la velocidad del flujo de aire.
Los ingenieros colocan sus modelos a escala en el sección de prueba , que es donde los sensores registran datos y los científicos hacen observaciones visuales. Posteriormente, el aire fluye hacia el difusor , que tiene una forma cónica que se ensancha, y por lo tanto, Reduce suavemente la velocidad del aire sin causar turbulencias en la sección de prueba.
los sección de conducción alberga el ventilador axial que crea un flujo de aire de alta velocidad. Este ventilador siempre se coloca aguas abajo de la sección de prueba, al final del túnel, en lugar de en la entrada. Esta configuración permite que el ventilador extraiga aire en una corriente suave en lugar de empujarlo, lo que resultaría en un flujo de aire mucho más agitado.
La mayoría de los túneles de viento son simplemente largos, cajas rectas, o circuito abierto Túneles (de retorno abierto). Sin embargo, algunos están integrados cerrado circuitos (o retorno cerrado), que son básicamente óvalos que envían el aire alrededor y alrededor del mismo camino, como una pista de carreras, utilizando paletas y paneles de nido de abeja para guiar y dirigir con precisión el flujo.
Las paredes del túnel son extremadamente lisas porque cualquier imperfección podría actuar como badenes y causar turbulencias. La mayoría de los túneles de viento también son de tamaño moderado y lo suficientemente pequeños como para caber en un laboratorio de ciencias de la universidad. lo que significa que los objetos de prueba deben reducirse para que quepan en el túnel. Estos modelos a escala pueden ser aviones enteros en miniatura, construido (a un gran costo) con una precisión rigurosa. O pueden ser solo una parte del ala de un avión u otro producto.
Los ingenieros montan modelos en la sección de prueba utilizando diferentes métodos, pero usualmente, los modelos se mantienen estacionarios mediante alambres o postes metálicos, que se colocan detrás del modelo para evitar causar interrupciones en el flujo de aire.Pueden conectar sensores al modelo que registran la velocidad del viento. temperatura, presión de aire y otras variables.
Siga leyendo para obtener más información sobre cómo los túneles de viento ayudan a los científicos a armar acertijos aerodinámicos más complicados y cómo sus hallazgos estimulan los avances tecnológicos.
El humo proporciona visualización del flujo para que los científicos puedan ver cómo se mueve el aire alrededor del objeto de prueba. Bill Pugliano / Noticias / Getty Images La elevación y el arrastre son solo dos elementos de las fuerzas aerodinámicas que entran en juego dentro de un túnel de viento. Para las pruebas de aeronaves en particular, hay docenas de variables (como tono, guiñada, roll y muchos otros), que puede afectar el resultado de los experimentos.
Otros factores también entran en juego durante la prueba, sin importar cuál sea el sujeto de la prueba. Por ejemplo, la calidad del aire en el túnel es variable y tiene una gran influencia en los resultados de las pruebas. Además de medir cuidadosamente la forma y la velocidad del objeto (o el viento que pasa por el objeto), los evaluadores deben considerar la viscosidad (o pegajosidad) y compresibilidad (rebote) del aire durante sus experimentos.
Normalmente no piensa en el aire como una sustancia pegajosa, por supuesto, pero como el aire se mueve sobre un objeto, sus moléculas golpean su superficie y se adhieren a ella, aunque solo sea por un instante. Esto crea un capa límite , una capa de aire junto al objeto que afecta el flujo de aire, tal como lo hace el objeto mismo. Altitud, temperatura, y otras variables pueden afectar la viscosidad y la compresibilidad, que a su vez cambia las propiedades de la capa límite y arrastra, y la aerodinámica del objeto de prueba en su conjunto.
Averiguar cómo afectan todas estas condiciones al objeto de prueba requiere un sistema de sensores y computadoras para registrar los datos de los sensores. Tubos de pitot se utilizan para medir la velocidad del flujo de aire, pero los túneles avanzados se despliegan anemómetros láser que detectan la velocidad del viento "viendo" partículas en el aire en la corriente de aire. Sondas de presión controlar la presión del aire y presión de vapor de agua los sensores rastrean la humedad.
Además de los sensores, Las observaciones visuales también son extremadamente útiles, pero para hacer visible el flujo de aire, los científicos se basan en varios visualización de flujo técnicas. Pueden llenar la sección de prueba con humo de colores o una fina niebla de líquido, como el agua, para ver cómo se mueve el aire sobre el modelo. Pueden aplicar espeso, aceites de colores al modelo para ver cómo el viento empuja el aceite a lo largo de la superficie del modelo.
Las cámaras de video de alta velocidad pueden grabar el humo o los aceites a medida que se mueven para ayudar a los científicos a detectar pistas que no son obvias a simple vista. En algunos casos, Los láseres se utilizan para iluminar la niebla o el humo y revelar los detalles del flujo de aire.
Los túneles de viento ofrecen configuraciones infinitas para probar ideas y conceptos ilimitados. Sigue leyendo, y verá los túneles tremendamente imaginativos que los ingenieros construyen cuando encuentran el dinero para convertir la brisa de una idea en una tempestad tecnológica a gran escala.
Los túneles supersónicos e hipersónicos no usan ventiladores. Para generar estas velocidades vertiginosas del aire, Los científicos utilizan ráfagas de aire comprimido almacenado en tanques presurizados colocados antes de la sección de prueba. por eso a veces se les llama purga túneles. Similar, Los túneles hipersónicos a veces se denominan tubos de choque, una referencia a las explosiones de alta potencia pero muy breves que producen. Ambos tienen enormes requisitos de energía, lo que generalmente los hace mejores para pruebas cortas o intermitentes.
Las capacidades de presión de aire también diferencian a los túneles de viento. Algunos túneles tienen controles para bajar o subir la presión del aire. Por ejemplo, en la prueba de vehículos espaciales, La NASA podría instalar un túnel para imitar la atmósfera de baja presión de Marte.
También puede clasificar los túneles por tamaño. Algunos son relativamente pequeños, y por lo tanto, son útiles solo para probar modelos reducidos o secciones de un objeto. Otros son a gran escala y lo suficientemente grandes como para probar vehículos de tamaño completo.
Y algunos túneles de viento son simplemente ... bueno, realmente grande.
Centro de Investigación Ames de la NASA, cerca de San José, California alberga el túnel de viento más grande del mundo. Tiene unos 54,8 metros (180 pies) de altura, más de 1, 400 pies (426,7 metros) de largo, con una sección de prueba de 80 pies (24 metros) de alto y 120 pies (36,5 metros) de ancho, lo suficientemente grande como para acomodar un avión con una envergadura de 30 metros (100 pies). El túnel usa seis, Abanicos de cuatro pisos, cada uno impulsado por seis 22, Motores de 500 caballos de fuerza que pueden impulsar vientos de hasta 115 mph (185 kph).
El tamaño no es el único factor en los extraordinarios túneles de viento. Sigue leyendo, y descubrirá cuán modernos son realmente algunos de estos túneles.
Torbellinos de bricolajeLos túneles de viento no son solo para profesionales. Puede encontrar planes en línea para construir su propio túnel de viento en casa, o incluso comprar kits con todas las piezas necesarias incluidas. Hay muchos tipos de túneles de viento para todo tipo de propósitos diferentes. Estos túneles están categorizados por sus características, como la velocidad del viento que generan en la sección de prueba.
Subsónico Los túneles de viento prueban objetos con flujos de aire de menos de 250 mph (402 kph). Transonic túneles cubren túneles cubren un rango de velocidad del viento de 250 mph a 760 mph (1, 223 km / h).
Supersónico Los túneles generan vientos más rápidos que la velocidad del sonido (768 mph o 1, 235,9 km / h). Hipersónico Los túneles crean ráfagas de viento aterradoras de 3, 800 mph a 11, 400 mph (6, 115,5 km / h hasta 18, 346,5 km / h) o incluso más rápido.
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General Motors posee el túnel de viento más grande del mundo dedicado a las pruebas automotrices. El ventilador tiene un diámetro de 43 pies (13 metros). Bill Pugliano / Noticias / Getty Images Los ingenieros a menudo necesitan probar múltiples variables aerodinámicas y ambientales simultáneamente. Es por eso que algunos túneles ofrecen una amplia gama de posibilidades de prueba en una sola ubicación. El gran túnel de viento climático de Viena, utilizado principalmente para pruebas de vehículos de automóviles y ferroviarios, es uno de esos túneles. La sección de prueba solo tiene 328 pies (100 metros) de largo, a través del cual fluyen velocidades del viento de hasta 186 mph (299 kph).
Los ingenieros pueden ajustar la humedad relativa del 10 al 98 por ciento y empujar las temperaturas desde tan solo -49 grados a 140 grados Fahrenheit (-45 a 60 grados Celsius). Fiel a su nombre, el Túnel Climático de Viena se completa con lluvia, capacidades de nieve y hielo, además de simuladores de exposición solar.
Capacidad de formación de hielo, en particular, ha sido un componente crítico en los túneles de viento durante décadas, porque la acumulación de hielo en las superficies de los aviones puede ser desastrosa, causando que un avión se estrelle. Los túneles de formación de hielo tienen sistemas de refrigeración que enfrían el aire y luego rocían finas gotas de agua en el flujo de aire. produciendo un esmalte en los modelos de prueba. Los ingenieros pueden entonces jugar con soluciones para contrarrestar la acumulación de hielo, por ejemplo, mediante la instalación de sistemas de calefacción que calientan las superficies del avión.
Hay muchos otros tipos de túneles diseñados para propósitos específicos. Algunos diseños omiten los postes o cables para asegurar el modelo y, en su lugar, utilizan potentes imanes que suspenden los modelos metálicos en la sección de prueba. Otros proporcionan cables de control remoto que permiten a los científicos "volar" un modelo de avión dentro del área de prueba.
El Centro de Investigación Aerodinámica de la Universidad de Texas en Arlington tiene lo que se llama un túnel de chorro de arco, que genera corrientes supersónicas de gas muy caliente a temperaturas de hasta 8, 540 grados Fahrenheit (4, 727 grados Celsius). Este tipo de temperaturas son especialmente útiles para la NASA, que somete su nave espacial a altas temperaturas cuando vuelven a entrar en la atmósfera terrestre.
Algunos túneles omiten el aire por completo y en su lugar usan agua. El agua fluye como el aire pero tiene mayor densidad que el aire y es más visible, también. Esas propiedades ayudan a los científicos a visualizar patrones de flujo alrededor de submarinos y cascos de barcos. o incluso mejor ver las ondas de choque creadas por aviones y misiles muy rápidos.
Entonces, ¿cuál es el punto de soplar todo este aire caliente y frío? ¿de todas formas? No es solo para que los científicos se pongan frikis, en la página siguiente, Verás cómo los túneles de viento nos ayudan a hacer mucho más que volar.
Borradores recreativosLos túneles de viento verticales (o VWT) demuestran que los túneles de viento no son solo para trabajar. Los VWT permiten a las personas hacer paracaidismo en interiores (también llamado bodyflying ), una buena manera para que tanto los principiantes como los profesionales aprendan a saltar en paracaídas de forma segura y divertirse al mismo tiempo.
Túneles de viento verticales, como este en China, deje que los paracaidistas practiquen sus técnicas en interiores. Getty Images Noticias / Getty Images Los ingenieros y especialistas en fabricación utilizan túneles de viento para mejorar no solo aviones y naves espaciales, sino un surtido completo de productos industriales y de consumo. Fabricantes de automóviles, en particular, dependen en gran medida de los túneles de viento.
El Laboratorio de Aerodinámica de General Motors tiene el túnel de viento más grande para estudiar la aerodinámica de los automóviles. Desde la construcción del túnel hace tres décadas, Los ingenieros de la compañía han reducido el coeficiente de resistencia de sus vehículos en alrededor de un 25 por ciento. Ese tipo de mejora aumenta la economía de combustible de dos a tres millas por galón.
Los fabricantes de autos de carrera usan los túneles para mejorar la aerodinámica de los autos, particularmente velocidad y eficiencia, para ayudarlos a obtener una ventaja competitiva. Túnel de viento AeroDyn, por ejemplo, está ubicada en Carolina del Norte y se especializa en probar autos stock de NASCAR de tamaño completo y otros autos y camionetas de carreras. Otra compañía, llamado Windshear, también opera en Carolina del Norte y posee un túnel de circuito cerrado avanzado con una carretera rodante incorporada, que es básicamente una enorme cinta de correr para automóviles.
Los ingenieros electrónicos utilizan pequeños túneles de viento para ver cómo el flujo de aire afecta la acumulación de calor en los componentes. Luego, pueden diseñar chips de computadora más fríos y placas base que duren más. Los gerentes de servicios públicos utilizan túneles de viento para probar las turbinas eólicas que se utilizan para generar electricidad. Los túneles de viento ayudan a que las turbinas y sus palas sean más eficientes, eficaz y duradero, para que puedan soportar constantes, poderosas ráfagas. Pero los túneles de viento también ayudan a los ingenieros a determinar los diseños de los parques eólicos y el espaciamiento de las turbinas. para maximizar la eficiencia y minimizar las turbulencias de succión de potencia.
Los túneles de viento y los modelos de prueba no son baratos de construir. Es por eso que cada vez más organizaciones están desactivando sus túneles de viento y cambiando al modelado por computadora (también llamado dinámica de fluidos computacional ), que ahora se usa a menudo en lugar de modelos físicos y túneles. Y lo que es más, Las computadoras permiten a los ingenieros ajustar infinitas variables del modelo y la sección de prueba sin un trabajo manual que consume mucho tiempo (y es costoso). Los túneles físicos a veces se utilizan solo para volver a probar los resultados del modelado por computadora.
Los ingenieros de construcción utilizan modelos informáticos para las pruebas de ingeniería eólica para ayudarlos a diseñar y construir rascacielos. puentes y otras estructuras. Investigan la interacción de las formas y materiales de los edificios y el viento para hacerlos más seguros y fuertes.
Por ahora, aunque, los túneles de viento todavía están en uso activo en todo el mundo, ayudando a los científicos a fabricar productos y vehículos de todo tipo más seguros y eficientes. E incluso si las nuevas tecnologías virtuales eventualmente reemplazan a los túneles de viento físicos, estas maravillas de la ingeniería siempre tendrán un lugar en la historia del desarrollo de la humanidad.
