La propulsión a chorro es la propulsión de un objeto en una dirección, producida al expulsar un chorro de fluido en la dirección opuesta. Según la tercera ley de Newton , el cuerpo en movimiento se impulsa en la dirección opuesta al chorro. Los motores de reacción que funcionan según el principio de propulsión a chorro incluyen el motor a reacción utilizado para la propulsión de aeronaves , la bomba de chorro utilizada para la propulsión marina y el motor de cohete y el propulsor de plasma utilizados para la propulsión de naves espaciales . Los sistemas biológicos incluyen los mecanismos de propulsión de ciertosanimales marinos como cefalópodos , liebres marinas , artrópodos y peces .
Física [ editar ]
La propulsión a chorro es producida por algunos motores de reacción o animales cuando el empuje es generado por un chorro de fluido que se mueve rápidamente de acuerdo con las leyes de movimiento de Newton . Es más eficaz cuando el número de Reynolds es alto, es decir, el objeto propulsado es relativamente grande y pasa a través de un medio de baja viscosidad. [1]
En los animales, los chorros más eficientes son pulsados, en lugar de continuos, [2] al menos cuando el número de Reynolds es mayor que 6. [3]
Impulso específico [ editar ]
El impulso específico (generalmente abreviado I sp ) es una medida de la eficacia con la que un cohete usa propulsor o un motor a reacción usa combustible. Por definición, es el impulso total (o cambio en el momento ) entregado por unidad de propulsor consumido [4] y es dimensionalmente equivalente al empuje generado dividido por el caudal másico del propulsor o caudal en peso. [5] Si la masa ( kilogramo , libra de masa o babosa) se utiliza como unidad de propulsor, el impulso específico tiene unidades de velocidad . Si en su lugar se usa el peso ( newton o libra-fuerza ), el impulso específico tiene unidades de tiempo (segundos). Al multiplicar el caudal por la gravedad estándar ( g 0 ), el impulso específico se convierte de la base de la masa a la base del peso. [5]
Un sistema de propulsión con un impulso específico más alto usa la masa del propulsor de manera más efectiva para crear un empuje hacia adelante y, en el caso de un cohete, se necesita menos propulsor para un delta-v dado , según la ecuación del cohete Tsiolkovsky . [4] [6] En los cohetes, esto significa que el motor es más efectivo para ganar altitud, distancia y velocidad. Esta eficacia es menos importante en los motores a reacción que emplean alas y utilizan aire exterior para la combustión y transportan cargas útiles que son mucho más pesadas que el propulsor.
El impulso específico incluye la contribución al impulso proporcionada por el aire externo que se ha utilizado para la combustión y se agota con el propulsor gastado. Los motores a reacción utilizan aire exterior y, por lo tanto, tienen un impulso específico mucho mayor que los motores de cohetes. El impulso específico en términos de masa propulsora gastada tiene unidades de distancia por tiempo, que es una velocidad artificial llamada "velocidad de escape efectiva". Esta es más alta que la velocidad de escape real porque no se tiene en cuenta la masa del aire de combustión. La velocidad de escape real y efectiva es la misma en los motores de cohetes que no utilizan aire.
El impulso específico es inversamente proporcional al consumo específico de combustible (SFC) por la relación I sp = 1 / ( g o · SFC) para SFC en kg / (N · s) e I sp = 3600 / SFC para SFC en lb / (lbf ·hora).
Empuje [ editar ]
De la definición de empuje de impulso específico en unidades SI es:
donde V e es la velocidad de escape efectiva y es el caudal de propulsor.
Tipos de motor de reacción [ editar ]
Los motores de reacción producen empuje expulsando masa de reacción sólida o fluida ; La propulsión a reacción se aplica únicamente a los motores que utilizan masa de reacción fluida.
Motor a reacción [ editar ]
Un motor a reacción es un motor de reacción que utiliza aire ambiente como fluido de trabajo y lo convierte en un gas caliente a alta presión que se expande a través de una o más boquillas . Dos tipos de motor a reacción, el turborreactor y el turbofán , emplean compresores de flujo axial o centrífugos para elevar la presión antes de la combustión y turbinas para impulsar la compresión. Los ramjets operan solo a altas velocidades de vuelo porque omiten los compresores y las turbinas, dependiendo en cambio de la presión dinámica generada por la alta velocidad (conocida como compresión de ram). Chorros de pulso También omiten los compresores y las turbinas, pero pueden generar empuje estático y tienen una velocidad máxima limitada.
Motor de cohete [ editar ]
El cohete es capaz de operar en el vacío del espacio , porque depende de que el vehículo lleve su propio oxidante en lugar de usar el oxígeno en el aire, o en el caso de un cohete nuclear , calienta un propulsor inerte (como hidrógeno líquido ) forzándolo a través de un reactor nuclear .
Motor de plasma [ editar ]
Los propulsores de plasma aceleran un plasma por medios electromagnéticos .
Bomba-chorro [ editar ]
La bomba de chorro, utilizada para la propulsión marina , utiliza agua como fluido de trabajo, presurizada por una hélice con conductos , una bomba centrífuga o una combinación de las dos.
Animales propulsados a chorro [ editar ]
Los cefalópodos como los calamares utilizan propulsión a chorro para escapar rápidamente de los depredadores ; utilizan otros mecanismos para nadar lentamente. El chorro se produce expulsando agua a través de un sifón , que normalmente se estrecha a una pequeña abertura para producir la máxima velocidad de exhalación. El agua pasa por las branquias antes de la exhalación, cumpliendo el doble propósito de respiración y locomoción. [1] Las liebres marinas (moluscos gasterópodos) emplean un método similar, pero sin la sofisticada maquinaria neurológica de los cefalópodos navegan de forma algo más torpe. [1]
Algunos peces teleósteos también han desarrollado propulsión a chorro, pasando agua a través de las branquias para complementar el movimiento impulsado por las aletas. [7] : 201
En algunas larvas de libélula , la propulsión a chorro se logra mediante la expulsión de agua de una cavidad especializada a través del ano. Dado el pequeño tamaño del organismo, se consigue una gran velocidad. [8]
Las vieiras y cardiids , [9] sifonóforos , [10] tunicados (como salpas ), [11] [12] y algunas medusas [13] [14] [15] también emplean propulsión a chorro. Los organismos propulsados por chorro más eficientes son las salpas, [11] que utilizan un orden de magnitud menos de energía (por kilogramo por metro) que los calamares. [dieciséis]
Ver también [ editar ]
- Avion a reacción
Referencias [ editar ]
- ↑ a b c Packard, A. (1972). "Cefalópodos y peces: los límites de la convergencia". Revisiones biológicas . 47 (2): 241-307. doi : 10.1111 / j.1469-185X.1972.tb00975.x .
- ^ Sutherland, KR; Madin, LP (2010). "Comparativa estructura de estela de chorro y rendimiento de natación de las salpas" (PDF) . Revista de Biología Experimental . 213 (Pt 17): 2967–75. doi : 10.1242 / jeb.041962 . PMID 20709925 .
- ^ Dabiri, JO; Gharib, M. (2005). "El papel de la formación óptima de vórtices en el transporte de fluidos biológicos" . Actas de la Royal Society B: Ciencias Biológicas . 272 (1572): 1557-1560. doi : 10.1098 / rspb.2005.3109 . PMC 1559837 . PMID 16048770 .
- ^ a b "¿Qué es un impulso específico?" . Grupo de Razonamiento Cualitativo . Consultado el 22 de diciembre de 2009 .
- ↑ a b Benson, Tom (11 de julio de 2008). "Impulso específico" . NASA . Archivado desde el original el 24 de enero de 2010 . Consultado el 22 de diciembre de 2009 .
- ^ Hutchinson, Lee (14 de abril de 2013). "El nuevo motor de cohete F-1B actualiza el diseño de la era Apolo con 1,8 millones de libras de empuje" . Ars Technica . Consultado el 15 de abril de 2013 .
La medida de la efectividad del combustible de un cohete se llama impulso específico (abreviado como 'ISP', o más propiamente Isp) ... 'Impulso específico de masa ... describe la efectividad de una reacción química en la producción de empuje y es más fácil considerado como la cantidad de fuerza de empuje producida por cada libra (masa) de combustible y propulsor oxidante quemado en una unidad de tiempo. Es como una medida de millas por galón (mpg) para cohetes '.
- ^ Wake, MH (1993). "El cráneo como órgano locomotor". En Hanken, James (ed.). El cráneo . Prensa de la Universidad de Chicago . pag. 460. ISBN 978-0-226-31573-7.
- ^ Mill, PJ; Pickard, RS (1975). "Jet-propulsión en larvas de libélula anisoptera". Revista de fisiología comparada . 97 (4): 329–338. doi : 10.1007 / BF00631969 .
- ^ Chamberlain Jr, John A. (1987). "32. Locomoción de Nautilus ". En Saunders, WB; Landman, NH (eds.). Nautilus: la biología y paleobiología de un fósil viviente . ISBN 9789048132980.
- ^ Hueso, Q .; Trueman, ER (2009). "Jet propulsión de los calycophoran siphonophores Chelophyes y Abylopsis ". Revista de la Asociación de Biología Marina del Reino Unido . 62 (2): 263–276. doi : 10.1017 / S0025315400057271 .
- ^ a b Hueso, Q .; Trueman, ER (2009). "Jet propulsión en salpas (Tunicata: Thaliacea)". Revista de Zoología . 201 (4): 481–506. doi : 10.1111 / j.1469-7998.1983.tb05071.x .
- ^ Hueso, Q .; Trueman, E. (1984). "Jet propulsión en Doliolum (Tunicata: Thaliacea)". Revista de Biología y Ecología Marina Experimental . 76 (2): 105-118. doi : 10.1016 / 0022-0981 (84) 90059-5 .
- ^ Demont, M. Edwin; Gosline, John M. (1 de enero de 1988). "Mecánica de la propulsión a chorro en la medusa Hydromedusan, Polyorchis pexicillatus : I. Propiedades mecánicas de la estructura locomotora" . J. Exp. Biol. (134): 313–332.
- ^ Demont, M. Edwin; Gosline, John M. (1 de enero de 1988). "Mecánica de la propulsión a chorro en la medusa Hydromedusan, Polyorchis Pexicillatus : II. Energética del ciclo del chorro" . J. Exp. Biol. (134): 333–345.
- ^ Demont, M. Edwin; Gosline, John M. (1 de enero de 1988). "Mecánica de la propulsión a chorro en la medusa Hydromedusan, Polyorchis pexicillatus : III. Una campana resonante natural; la presencia e importancia de un fenómeno resonante en la estructura locomotora" . J. Exp. Biol. (134): 347–361.
- ^ Madin, LP (1990). "Aspectos de la propulsión a chorro en salpas". Revista canadiense de zoología . 68 (4): 765–777. doi : 10.1139 / z90-111 .
