Los vehículos eólicos obtienen su energía de velas , cometas o rotores y viajan sobre ruedas, que pueden estar vinculadas a un rotor impulsado por viento, o corredores. Ya sea propulsado por vela, cometa o rotor, estos vehículos comparten una característica común: a medida que el vehículo aumenta de velocidad, la superficie aerodinámica que avanza encuentra un viento aparente creciente en un ángulo de ataque que es cada vez más pequeño. Al mismo tiempo, estos vehículos están sujetos a una resistencia delantera relativamente baja, en comparación con las embarcaciones de vela tradicionales. Como resultado, estos vehículos son a menudo capaces de alcanzar velocidades superiores a las del viento.
Los ejemplos impulsados por rotor han demostrado velocidades sobre el terreno que superan la del viento, tanto directamente en el viento como directamente a favor del viento al transferir potencia a través de un tren de transmisión entre el rotor y las ruedas. El récord de velocidad impulsado por el viento lo tiene un vehículo con una vela, Greenbird , con una velocidad máxima registrada de 202,9 kilómetros por hora (126,1 mph).
Otros medios de transporte impulsados por viento incluyen los barcos de vela que viajan en el agua y los globos y planeadores que viajan en el aire, todos los cuales están más allá del alcance de este artículo.
A vela
Los vehículos propulsados por velas viajan sobre tierra o hielo a velocidades de viento aparentes que son más altas que la velocidad del viento real, con ceñida en la mayoría de los puntos de la vela. Tanto los yates terrestres como los barcos de hielo tienen una baja resistencia delantera a la velocidad y una alta resistencia lateral al movimiento lateral.
Teoría
Las fuerzas aerodinámicas sobre las velas dependen de la velocidad y dirección del viento y de la velocidad y dirección de la embarcación ( V B ). La dirección en la que viaja la embarcación con respecto al viento real (la dirección del viento y la velocidad sobre la superficie - V T ) se llama punto de vela . La velocidad de la embarcación en un punto dado de la vela contribuye al viento aparente ( V A ), la velocidad y dirección del viento medidas en la embarcación en movimiento. El viento aparente en la vela crea una fuerza aerodinámica total, que puede resolverse en resistencia ( el componente de fuerza en la dirección del viento aparente) y elevación ( el componente de fuerza normal (90 °) al viento aparente). Dependiendo de la alineación de la vela con el viento aparente, la sustentación o la resistencia pueden ser el componente propulsor predominante. La fuerza aerodinámica total también se resuelve en una fuerza motriz, propulsora hacia adelante, resistida por el medio a través del cual pasa la nave (por ejemplo, a través del agua, aire o sobre hielo, arena) y una fuerza lateral, resistida por las ruedas o corredores de hielo del vehículo. [2]
Debido a que los vehículos propulsados por viento normalmente navegan en ángulos de viento aparentes alineados con el borde de ataque de la vela, la vela actúa como un perfil aerodinámico y la sustentación es el componente predominante de propulsión. [3] La baja resistencia al movimiento hacia adelante, las altas velocidades sobre la superficie y la alta resistencia lateral ayudan a crear altas velocidades del viento aparente, con una alineación más cercana del viento aparente con el rumbo recorrido en la mayoría de los puntos de la vela, y permiten que los vehículos propulsados por viento alcanzar velocidades más altas que las embarcaciones de vela convencionales. [4] [5]
Yate terrestre
La navegación terrestre ha pasado de ser una novedad, desde la década de 1950, a convertirse principalmente en un deporte . Los vehículos que se utilizan en la navegación se conocen como yates terrestres o de arena . Por lo general, tienen tres (a veces cuatro) ruedas y funcionan de manera muy similar a un velero , excepto que se manejan desde una posición sentada o acostada y se manejan con pedales o palancas manuales . La navegación por tierra es la más adecuada para áreas planas con viento; Las carreras suelen tener lugar en playas , aeródromos y lechos de lagos secos en regiones desérticas . [6]
Greenbird , un vehículo propulsado por velas patrocinado por Ecotricity , rompió el récord mundial de velocidad en tierra para un vehículo propulsado por viento en 2009 [7] con una velocidad máxima registrada de 202,9 kilómetros por hora (126,1 mph), superando el récord anterior de 116 millas por hora (187 km / h), establecido por Schumacher de los Estados Unidos, montando Iron Duck en marzo de 1999. [8]
Barco de hielo
Los diseños de los barcos de hielo generalmente se apoyan en tres palas de patín llamadas "patines" que sostienen un marco triangular o en forma de cruz con el patín de dirección al frente. Los corredores están hechos de hierro o acero y están afilados con un borde fino, la mayoría de las veces cortados en un borde en ángulo de 90 grados, que se sujeta al hielo, evitando el deslizamiento lateral de la fuerza lateral del viento desarrollado por las velas. Una vez que la fuerza lateral ha sido efectivamente contrarrestada por el borde del corredor, la fuerza restante del "levantamiento de la vela" aspira la embarcación hacia adelante con una potencia significativa. Ese poder aumenta a medida que aumenta la velocidad del barco, lo que permite que el barco vaya mucho más rápido que el viento. Las limitaciones a la velocidad del bote de hielo son el viento, la fricción, la curvatura de la forma de la vela, la resistencia de la construcción y la calidad de la superficie del hielo. Los barcos de hielo pueden navegar a una distancia de hasta 7 grados del viento aparente. [4] Los botes de hielo pueden alcanzar velocidades de hasta diez veces la velocidad del viento en buenas condiciones. Los botes de hielo internacionales DN a menudo alcanzan velocidades de 48 nudos (89 km / h; 55 mph) durante la regata, y se han registrado velocidades de hasta 59 nudos (109 km / h; 68 mph). [9]
Impulsado por cometas
Los vehículos propulsados por cometas incluyen buggies en los que uno puede viajar y tablas en las que uno puede pararse mientras se desliza sobre la nieve y el hielo o rueda sobre ruedas sobre la tierra.
Teoría
Una cometa es una lámina de aire atada que crea tanto sustentación como resistencia, en este caso anclada a un vehículo con una correa, que guía la cara de la cometa para lograr el mejor ángulo de ataque. [10] La sustentación que sostiene la cometa en vuelo se genera cuando el aire fluye alrededor de la superficie de la cometa, produciendo baja presión arriba y alta presión debajo de las alas. [11] La interacción con el viento también genera un arrastre horizontal a lo largo de la dirección del viento. El vector de fuerza resultante de los componentes de fuerza de sustentación y arrastre se opone a la tensión de una o más de las líneas o ataduras a las que está unida la cometa, lo que impulsa el vehículo. [12]
Buggy cometa
Un kite buggy es un vehículo ligero especialmente diseñado que funciona con un kite motorizado . Es de asiento simple y tiene una parte delantera dirigible de la rueda y dos ruedas traseras fijas. El conductor se sienta en el asiento ubicado en el medio del vehículo y acelera y desacelera aplicando maniobras de dirección en coordinación con las maniobras de vuelo de la cometa. Los buggies de cometas pueden alcanzar los 110 kilómetros por hora (68 mph). [ cita requerida ]
Tabla de kite
Las tablas de kite de diferente descripción se utilizan en tierra firme o en nieve. El aterrizaje de cometas implica el uso de una tabla de montaña o una tabla de tierra, una patineta con grandes ruedas neumáticas y correas para los pies. [ cita requerida ] El kite en la nieve es un deporte de invierno al aire libre en el que la gente usa el poder de la cometa para deslizarse sobre una tabla (o esquís) sobre la nieve o el hielo. [ cita requerida ]
Impulsado por rotor
Los vehículos propulsados por rotor son vehículos propulsados por el viento que utilizan rotores, en lugar de velas, que pueden tener una cubierta alrededor ( ventilador con conductos ) o constituir una hélice no conducida , y que pueden ajustar la orientación para enfrentar el viento aparente. El rotor se puede conectar mediante un tren de transmisión a las ruedas o a un generador que proporciona energía eléctrica a los motores eléctricos que impulsan las ruedas. Otros conceptos utilizan una turbina eólica de eje vertical con superficies aerodinámicas que giran alrededor de un eje vertical. [13]
Teoría
Gaunaa y col. describir la física de los vehículos propulsados por rotores. Describen dos casos, uno desde el punto de vista de la tierra y el otro desde el punto de vista de la corriente de aire y llegan a las mismas conclusiones de ambos marcos de referencia. Concluyen que (aparte de las fuerzas que resisten el movimiento hacia adelante): [14]
- No existe un límite superior teórico para la rapidez con la que una embarcación impulsada por un rotor puede ir directamente contra el viento.
- Del mismo modo, no existe un límite superior teórico para la rapidez con que una nave impulsada por un rotor puede ir directamente a favor del viento .
Estas conclusiones son válidas tanto para embarcaciones terrestres como acuáticas.
Los requisitos para el movimiento de vehículos propulsados por viento (o embarcaciones) son: [14]
- Dos masas que se mueven una con respecto a la otra, por ejemplo, el aire (como viento) y la tierra (tierra o agua).
- La capacidad de cambiar la velocidad de cualquiera de las masas con una hélice o una rueda.
En el caso de un vehículo propulsado por un rotor, hay un enlace de transmisión entre el rotor y las ruedas. Dependiendo del marco de referencia de cada uno (la superficie de la tierra o moverse con la masa de aire), la descripción de cómo la energía cinética disponible impulsa el vehículo difiere: [14]
- Visto desde el punto de vista de la tierra (por ejemplo, por un espectador), el rotor (actuando como una turbina eólica ) desacelera el aire y empuja las ruedas contra la tierra, que acelera imperceptiblemente.
- Como se ve desde el punto de vista de la corriente de aire (por ejemplo, por un globo), las ruedas impiden el vehículo — desacelerando la tierra imperceptiblemente — y accionan el rotor (actuando como una hélice), que acelera el aire y propulsa el vehículo.
La conexión entre las ruedas y el rotor hace que el rotor gire más rápido a medida que aumenta la velocidad del vehículo, lo que permite que las palas del rotor continúen obteniendo elevación hacia adelante del viento (visto desde el suelo) o propulsando el vehículo (visto desde el suelo). corriente de aire). [14]
En 2009, Mark Drela, profesor de aeronáutica y astronáutica del MIT , produjo las primeras ecuaciones, demostrando la viabilidad de "Dead-Downwind Faster Than The Wind (DDWFTTW)". [15] Otros autores han llegado a la misma conclusión. [14] [16]
Vehículos de rumbo fijo
Se han celebrado varias competiciones de vehículos propulsados por rotores. Entre ellos destaca el Racing Aeolus , un evento que se celebra anualmente en los Países Bajos . Las universidades participantes crean entradas para determinar el mejor y más rápido vehículo eólico. [17] Las reglas son que los vehículos viajen sobre ruedas, con un conductor, propulsado por un rotor, acoplado a las ruedas. Se permite el almacenamiento temporal de energía, si está vacío al comienzo de la carrera. La carga del dispositivo de almacenamiento se cuenta como tiempo de carrera. Las carreras se llevan a cabo en dirección al viento. Los vehículos son juzgados por su carrera más rápida, su innovación y los resultados de una serie de carreras de resistencia . [18] En 2008, los participantes procedían de: la Universidad de Stuttgart , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Flensburg , el Centro de Investigación de Energía de los Países Bajos , la Universidad Técnica de Dinamarca , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Kiel y la Universidad Christian Albrechts de Kiel. [19] Dos de los mejores artistas han sido "Ventomobile" y Spirit of Amsterdam (1 y 2) .
Ventomobile
El Ventomobile era un vehículo de tres ruedas ligero impulsado por el viento diseñado por estudiantes de la Universidad de Stuttgart. Tenía un soporte de rotor de fibra de carbono que se dirigía hacia el viento y palas de rotor de inclinación variable que se ajustaban a la velocidad del viento. La transmisión de potencia entre el rotor y las ruedas motrices se realizó a través de dos cajas de cambios de bicicleta y una cadena de bicicleta. [20] Ganó el primer premio en el Racing Aeolus celebrado en Den Helder , Holanda , en agosto de 2008. [19]
Espíritu de Amsterdam
Los vehículos terrestres propulsados por viento Spirit of Amsterdam y Spirit of Amsterdam 2 fueron construidos por la Hogeschool van Amsterdam (Universidad de Ciencias Aplicadas de Amsterdam) . En 2009 y 2010, el equipo Spirit of Amsterdam ganó el primer premio en el Racing Aeolus celebrado en Dinamarca. [21] El Spirit of Amsterdam 2 fue el segundo vehículo construido por la furgoneta Hogeschool, Amsterdam. Usó una turbina eólica para capturar la velocidad del viento y usó energía mecánica para propulsar el vehículo contra el viento. Este vehículo era capaz de conducir 6,6 metros por segundo (15 mph) con un viento de 10 metros por segundo (22 mph). Una computadora a bordo cambiaba de marcha automáticamente para lograr un rendimiento óptimo. [22]
Vehículos de línea recta
Algunos vehículos de propulsión eólica se construyen únicamente para demostrar un principio limitado, por ejemplo, la capacidad de ir en contra del viento o en sotavento más rápido que la velocidad del viento predominante .
En 1969, Mark Bauer, un ingeniero de túneles de viento de la Douglas Aircraft Company, construyó y demostró que un vehículo iba directamente a favor del viento más rápido que la velocidad del viento, lo cual fue grabado en un video. [23] Publicó el concepto en el mismo año. [24]
En 2010, Rick Cavallaro, un ingeniero aeroespacial y tecnólogo informático, construyó y probó un vehículo impulsado por rotor eólico, Blackbird , [25] en cooperación con el departamento de aviación de la Universidad Estatal de San José en un proyecto patrocinado por Google , para demostrar la viabilidad de ir directamente a favor del viento más rápido que el viento . [26] Logró dos hitos validados, yendo directamente a favor del viento y en contra del viento más rápido que la velocidad del viento predominante.
- A favor del viento: en 2010, Blackbird estableció el primer récord certificado del mundo por ir directamente a favor del viento más rápido que el viento, utilizando solo energía eólica. [23] El vehículo alcanzó una velocidad máxima a favor del viento de aproximadamente 2,8 veces la velocidad del viento. [27] [28] [29] En 2011, un Blackbird aerodinámico alcanzó casi 3 veces la velocidad del viento. [26]
- A barlovento: en 2012, Blackbird estableció el primer récord certificado del mundo por ir directamente a barlovento más rápido que el viento, utilizando solo energía eólica. El vehículo alcanzó una velocidad máxima en ceñida de aproximadamente 2,1 veces la velocidad del viento. [27]
Ver también
- Navegación de alto rendimiento
- Navegación terrestre
- Surf de vela
Referencias
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El Spirit of Amsterdam 2 fue el segundo vehículo construido por la furgoneta Hogeschool de Amsterdam. Usó una turbina eólica (originalmente diseñada por 'DonQi Urban Windmill') para capturar la velocidad del viento y usa energía mecánica para propulsar el vehículo contra el viento.
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enlaces externos
- Andrew Bauer vídeo sobre un carro impulsado por un rotor eólico (1969)
- Arrastre la carrera contra el viento, winDTUrbineracer vs.Inventus, Stuttgart