Un dirigible de vacío , también conocido como globo de vacío , es un dirigible hipotético que se evacua en lugar de llenarse con un gas más ligero que el aire, como hidrógeno o helio . Propuesto por primera vez por el sacerdote jesuita italiano Francesco Lana de Terzi en 1670, [1] el globo de vacío sería la máxima expresión del poder de elevación por volumen desplazado.
Historia
De 1886 a 1900 Arthur De Bausset intentó en vano recaudar fondos para construir su diseño de dirigible de "tubo de vacío", pero a pesar del apoyo inicial en el Congreso de los Estados Unidos, el público en general se mostró escéptico. El historiador de Illinois Howard Scamehorn informó que Octave Chanute y Albert Francis Zahm "denunciaron públicamente y demostraron matemáticamente la falacia del principio del vacío", sin embargo, el autor no da su fuente. [2] De Bausset publicó un libro sobre su diseño [3] y ofreció acciones de 150.000 dólares en la Transcontinental Aerial Navigation Company de Chicago. [4] [5] Su solicitud de patente fue finalmente denegada sobre la base de que era "totalmente teórica, todo se basaba en cálculos y nada en pruebas o demostraciones". [6]
Falacia de doble pared
En 1921, Lavanda Armstrong revela una estructura de pared compuesta con una cámara de vacío "rodeada por una segunda envoltura construida para mantener el aire bajo presión, las paredes de la envoltura están separadas entre sí y unidas", incluida una celda en forma de panal. estructura. [7]
En 1983, David Noel discutió el uso de una esfera geodésica cubierta con una película plástica y "un globo doble que contiene aire presurizado entre las pieles y un vacío en el centro". [8]
En 1982-1985, Emmanuel Bliamptis se refirió a las fuentes de energía y el uso de "anillos de puntal inflables". [9]
Sin embargo, el diseño de doble pared propuesto por Armstrong, Noel y Bliamptis no habría sido optimista. Para evitar el colapso, el aire entre las paredes debe tener una presión mínima (y por lo tanto también una densidad) proporcional a la fracción del volumen total ocupado por la sección de vacío, evitando que la densidad total de la nave sea menor que la del entorno. aire.
Siglo 21
En 2004-2007, Akhmeteli y Gavrilin abordan la elección de materiales ("berilio, cerámica de carburo de boro y carbono similar al diamante" o aluminio) en embarcaciones de doble capa en forma de panal para abordar los problemas de pandeo.
Principio
Una aeronave opera según el principio de flotabilidad , según el principio de Arquímedes . En un dirigible, el aire es el fluido en contraste con un barco tradicional donde el agua es el fluido.
La densidad del aire a temperatura y presión estándar es 1.28 g / l, por lo que 1 litro de aire desplazado tiene suficiente fuerza de flotación para levantar 1.28 g. Los dirigibles utilizan una bolsa para desplazar un gran volumen de aire; la bolsa generalmente se llena con un gas liviano como helio o hidrógeno . La sustentación total generada por un dirigible es igual al peso del aire que desplaza, menos el peso de los materiales utilizados en su construcción, incluido el gas utilizado para llenar la bolsa.
Las aeronaves de vacío reemplazarían el gas helio con un entorno cercano al vacío . Al no tener masa, la densidad de este cuerpo estaría cerca de 0,00 g / l, lo que teóricamente podría proporcionar todo el potencial de elevación del aire desplazado, por lo que cada litro de vacío podría elevar 1,28 g. Usando el volumen molar , se encuentra que la masa de 1 litro de helio (a 1 atmósfera de presión) es 0.178 g. Si se utiliza helio en lugar de vacío, la potencia de elevación de cada litro se reduce en 0,178 g, por lo que la elevación efectiva se reduce en un 14%. Un volumen de hidrógeno de 1 litro tiene una masa de 0.090 g.
El principal problema con el concepto de aeronaves de vacío es que, con casi vacío dentro del airbag, la presión atmosférica exterior no se equilibra con ninguna presión interna. Este enorme desequilibrio de fuerzas haría que la bolsa de aire colapsara a menos que fuera extremadamente fuerte (en una aeronave ordinaria, la fuerza se equilibra con helio, lo que lo hace innecesario). Por tanto, la dificultad estriba en construir un airbag con la resistencia adicional para resistir esta fuerza neta extrema, sin sobrecargar tanto la estructura que se anule la mayor potencia de elevación del vacío.
Restricciones materiales
Fuerza compresiva
Del análisis de Akhmeteli y Gavrilin: [10]
La fuerza total sobre una capa semiesférica de radio por una presión externa es . Dado que la fuerza en cada hemisferio tiene que equilibrarse a lo largo del ecuador, la tensión de compresión será, suponiendo
dónde es el grosor de la cáscara.
La flotabilidad neutra ocurre cuando el proyectil tiene la misma masa que el aire desplazado, lo cual ocurre cuando , dónde es la densidad del aire y es la densidad de la capa, que se supone homogénea. Combinando con la ecuación de estrés se obtiene
- .
Para aluminio y condiciones terrestres, Akhmeteli y Gavrilin estiman la tensión como Pa, del mismo orden de magnitud que la resistencia a la compresión de las aleaciones de aluminio.
Pandeo
Sin embargo, Akhmeteli y Gavrilin señalan que el cálculo de la resistencia a la compresión no tiene en cuenta el pandeo y utiliza la fórmula de R. Zoelli para la presión crítica de pandeo de una esfera.
dónde es el módulo de elasticidad yes la razón de Poisson de la cáscara. Sustituir la expresión anterior da una condición necesaria para una concha de globo de vacío factible:
El requisito se trata de .
Akhmeteli y Gavrilin afirman que esto ni siquiera se puede lograr usando diamantes (), y proponen que descartar la suposición de que el caparazón es un material homogéneo puede permitir estructuras más ligeras y rígidas (por ejemplo, una estructura de panal ). [10]
Limitaciones atmosféricas
Una aeronave de vacío debería al menos flotar (ley de Arquímedes) y resistir la presión externa (ley de fuerza, según el diseño, como la fórmula anterior de R. Zoelli para la esfera). Estas dos condiciones pueden reescribirse como una desigualdad donde un complejo de varias constantes físicas relacionadas con el material de la aeronave debe ser menor que un complejo de parámetros atmosféricos. Así, para una esfera (esfera hueca y, en menor medida, cilindro son prácticamente los únicos diseños para los que se conoce una ley de fuerza) es, dónde es la presión dentro de la esfera, mientras que («Coeficiente de lana») y («Relación atmosférica Lana») son: [11]
- (o cuando es desconocido, con un error del orden del 3% o menos);
- (o cuando es desconocido, ),
dónde y son la presión y la densidad de la atmósfera terrestre estándar al nivel del mar, y son la masa molar (kg / kmol) y la temperatura (K) de la atmósfera en el área flotante. De todos los planetas y lunas conocidos del sistema solar, solo la atmósfera de Venus tiene lo suficientemente grande para superar para materiales como algunos compuestos (por debajo de la altitud de unos 15 km) y grafeno (por debajo de una altitud de unos 40 km). Ambos materiales pueden sobrevivir en la atmósfera de Venus. La ecuación para muestra que los exoplanetas con densos, fríos y de alto peso molecular (, , tipo) pueden ser adecuadas para aeronaves de vacío, pero es un tipo de atmósfera poco común.
En ficción
En la novela de Edgar Rice Burroughs Tarzán en el Núcleo de la Tierra, Tarzán viaja a Pellucidar en una aeronave al vacío construida con el material ficticio Harbenita.
En Passarola Rising , el novelista Azhar Abidi imagina lo que podría haber sucedido si Bartolomeu de Gusmão hubiera construido y volado una aeronave al vacío.
En la novela de Neal Stephenson , The Diamond Age, se vislumbran aeronaves de cuerpo de vacío esféricas que utilizan el efecto Magnus y están hechas de carbino o carbono superduro similar .
En Maelstrom [12] y Behemoth: B-Max , el autor Peter Watts describe varios dispositivos voladores, como "moscardones" y "elevadores" que usan "vejigas de vacío" para mantenerlos en el aire.
En Feersum Endjinn de Iain M. Banks , el personaje narrativo Bascule usa un globo de vacío en su búsqueda para rescatar a Ergates. Los dirigibles al vacío (dirigibles) también se mencionan como una característica de ingeniería notable de la civilización utópica que viaja por el espacio.La cultura en la novela Look to Windward de Banks , y el vasto dirigible al vacío Equatorial 353 es un lugar fundamental en la novela final de Culture, The Hydrogen Sonata. .
Ver también
- Aeróstato
Referencias
- ^ "Francesco Lana-Terzi, SJ (1631-1687); El padre de la aeronáutica" . Consultado el 13 de noviembre de 2009 .
- ^ Scamehorn, Howard Lee (2000). De globos a jets: un siglo de aeronáutica en Illinois, 1855–1955 . SIU Press. págs. 13-14. ISBN 978-0-8093-2336-4.
- ^ De Bausset, Arthur (1887). Navegación aérea . Chicago: Fergus Printing Co . Consultado el 1 de diciembre de 2010 .
- ^ "Navegación aérea" (PDF) . New York Times . 14 de febrero de 1887 . Consultado el 1 de diciembre de 2010 .
- ^ "Navegar por el aire" (PDF) . New York Times . 19 de febrero de 1887 . Consultado el 1 de diciembre de 2010 .
- ^ Mitchell (Comisionado) (1891). Decisiones del Comisionado de Patentes para el año 1890 . Oficina de Imprenta del Gobierno de EE. UU. pag. 46.
50 OG, 1766
- ^ Patente estadounidense 1390745 , Lavanda M Armstrong, "Aeronave del tipo más ligero que el aire", publicada el 13 de septiembre de 1921, asignada a Lavanda M Armstrong
- ^ David Noel (1983). "Más ligero que las naves aéreas con vacío" (PDF) . Correspondencia, especulaciones en ciencia y tecnología . 6 (3): 262–266.
- ^ Patente estadounidense 4534525 , Emmanuel Bliamptis, "Globo evacuado para recolección de energía solar", publicada el 13 de agosto de 1985, asignada a Emmanuel Bliamptis
- ^ a b Solicitud de EE. UU. 2007001053 , AM Akhmeteli, AV Gavrilin, "Solicitud de patente de EE. UU. 11/517915. Globos de vacío de caparazón en capas", publicado el 23 de febrero de 2006, asignado a Andrey M Akhmeteli y Andrey V Gavrilin
- ^ E. Shikhovtsev (2016). "¿Es posible FLanar?" . Consultado el 19 de junio de 2016 .
- ^ Watts, Peter. "Maelstrom de Peter Watts" .
Otras lecturas
- Alfred Hildebrandt (1908). Aeronaves Pasado y Presente: junto con capítulos sobre el uso de globos en relación con la meteorología, la fotografía y la paloma mensajera . D. Compañía Van Nostrand. págs. 16 -.
- Collins, Paul (2009). "El ascenso y caída de la aeronave de metal". Nuevo científico . 201 (2690): 44–45. Código Bibliográfico : 2009NewSc.201 ... 44C . doi : 10.1016 / S0262-4079 (09) 60106-8 . ISSN 0262-4079 .
- Zornes, David (2010). "La flotabilidad de vacío es proporcionada por una bolsa de vacío que comprende una película de membrana de vacío envuelta alrededor de un marco tridimensional (3D) para desplazar el aire, sobre el cual el grafeno 3D" flota "una primera pila de láminas planas bidimensionales de átomos de carbono de seis miembros Dentro del mismo espacio 3D que una segunda pila de grafeno orientada a un ángulo de 90 grados ". SAE Internacional . Serie de documentos técnicos SAE. 1 . doi : 10.4271 / 2010-01-1784 .
- Timothy Ferris (2000). Vida más allá de la Tierra . Simon y Schuster. págs. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9.
- http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-105/F105.2.pdf