¿Cómo navegar a favor del viento más rápido que éste?

Question

Recientemente un grupo ha establecido un récord de navegación de un vehículo terrestre impulsado por el viento directamente a favor, y a una velocidad superior a la del viento. Wikipedia tiene una página hablando de ello, pero no explica exactamente cómo funciona.

Puedo imaginar algunas configuraciones, pero no entiendo cómo se podría configurar un sistema para empujar hacia adelante con viento de cola (cuando el carro se mueve más lento que el viento) y empujar hacia adelante con viento de frente (cuando el carro se mueve más rápido que el viento).

¿Podría alguien ayudar a explicar cómo es esto posible?

Answer 1

Suena contradictorio. El dispositivo real utilizaba engranajes unidos a una turbina eólica. Aunque la turbina se movía más rápido que el viento, el empuje (creo que) era tal que frenaba el campo de viento. Así que se extraía energía del campo eólico para hacer girar las ruedas mediante la relación de engranajes adecuada. En cualquier caso, la energía se extrae del campo de viento, por lo que no se violaron las leyes de la física. Viajar en ángulo con el viento es más fácil de visualizar. De hecho, las palas de los aerogeneradores se desplazan en ángulo recto con respecto al viento a múltiplos de la velocidad del mismo. Pero eso es diferente. Este era un dispositivo realmente ingenioso, y a menos que se muestre cómo funciona (no recuerdo los detalles) la mayoría de los físicos piensan que "no hay manera". Sospecho que habría que empujarlo a una velocidad superior a la del viento para que funcione. Sin ruedas unidas a la tierra sólida no funcionaría, es básicamente aumentar el campo de viento que se acopla a la tierra sólida.

Answer 2

Otra explicación.

Esto también se ha explicado en términos de una rueda en una cinta de correr, si se considera que el aire es relativamente grueso y rígido.

Por supuesto, para que esto funcione con aire real, parte del aire será empujado hacia atrás, y como la parte superior de la rueda se desplaza hacia adelante a una velocidad relativamente alta, la resistencia del aire tiene que ser minimizada por la aerodinámica, etc. Por eso estas cosas no funcionan si se hacen casualmente.

Pero básicamente es una simple cuestión de palanca, y de aprovechar la diferencia de velocidad entre la superficie y el aire.

Y otra explicación más. Piensa en el viento como algo que empuja, y piensa en la superficie de la hélice como una cuña que se desliza.

Cuando el viento empuja esa superficie hacia delante una cierta distancia, la propia cuña se desplaza hacia delante una distancia mayor.

Y otra explicación más, buscando una imagen intuitiva súper sencilla de lo que está pasando. Aquí hay un catamarán en un amplio alcance:

Lo que hace que se desplace es el efecto de apriete entre el agua y el viento sobre el triángulo formado por la quilla y la vela. No hay límite en la velocidad de desplazamiento. Cuanto más estrecho es el triángulo, más rápido puede ir, limitado sólo por la resistencia. Además, no es necesario que la dirección de desplazamiento sea perpendicular al viento, siempre que haya componentes de la fuerza del viento y de la fuerza del agua actuando para apretar la cuña.

Ahora supongamos que la superficie del agua es en realidad un cilindro orientado a favor del viento, y que el barco navega alrededor de él. Entonces la vela se parece más a un aspa de ventilador (como en el coche del mirlo) pero funciona igual.

Answer 3

Esto surgió recientemente en el intercambio de pilas de escépticos.

Me intrigó, así que lo analicé hasta que creo que entendí cómo funcionaba, y ponga la explicación aquí .

Fui un poco entusiasta y me dieron una paliza por falta de referencias. C'est la vie. Aun así, es una técnica ingeniosa y contraintuitiva.

EDIT: Aquí hay otro pequeño diagrama que ilustra la geometría.

En la parte inferior hay una rueda en contacto con el suelo, y está unida por una cadena o algo así a una superficie contra la que empuja un empujador, que representa el viento. La posición inicial se muestra en negro, y la posición final se muestra en gris. La superficie contra la que se empuja tiene un ángulo, o relación de paso, que va de 0 para la verticalidad absoluta, a 1 para 45 grados. A medida que el vehículo avanza 1 unidad de distancia, la superficie de empuje se eleva verticalmente 1 unidad, por lo que sigue una trayectoria de 45 grados hacia arriba y hacia la derecha. Dependiendo de la inclinación de la superficie de empuje, el empujador avanza entre 1 unidad y 0 unidades. Así, la relación de paso determina la relación de velocidad entre las ruedas y el empujador, como si se tratara de una transmisión.

Así, por ejemplo, si la relación de paso fuera de 2/3, la relación entre la distancia recorrida por las ruedas y el empujador sería de 3. Por supuesto, conseguir relaciones de velocidad más altas depende de cosas como la fricción, la eficiencia, etc.

EDICIÓN POSTERIOR: Posiblemente esta imagen lo ilustre mejor:

Hay un perfil aéreo que sigue una trayectoria helicoidal porque está orientado a las ruedas. Tiene un ángulo de inclinación, y por lo tanto un ángulo de ataque con respecto a la trayectoria helicoidal. En un determinado dt de tiempo, el avión recorre una distancia dX en el X dirección. En ese mismo tiempo un paquete de aire es desviado una distancia dx en el X dirección. Hay una relación dx/dX y su inversa dX/dx . Así, el ángulo de ataque determina si el viento impulsa el vehículo hacia delante o hacia atrás, con cualquier "relación de transmisión", o no.

Answer 4

Las ruedas utilizan el frenado regenerativo para impulsar una hélice/turbina para proporcionar empuje y no al revés.

En un velero típico u otra embarcación impulsada por el viento, éste proporciona el empuje y la resistencia ofrecida por el mecanismo de transporte (agua o ruedas) suele ser mínima.

Sin embargo, en este escenario, las ruedas tienen un poco de frenado regenerativo aplicado a ellos y la energía recogida se utiliza para alimentar lo que es efectivamente un ventilador orientado hacia atrás.

Sin la alimentación del ventilador, la velocidad del vehículo llegaría a su punto máximo un poco por debajo de la velocidad del viento, cuando el empuje de la hélice estacionaria igualara la resistencia de las ruedas. La adición del freno regenerativo aumentaría la fuerza de frenado, pero esto se compensa con creces con el aumento del empuje de la hélice. Mediante el engranaje podemos aplicar las relaciones que queramos, pero tenemos que gastar menos potencia de la que generamos.

Potencia disponible

$$P_{braking}=V\,F_{braking}$$

Potencia de la hélice

Las hélices son complicadas, pero como primera (muy mala) aproximación podríamos utilizar la misma fórmula

$$P_{thrust}=V_r\,F_{thrust}$$

Pero aquí tenemos que utilizar la velocidad de la hélice con respecto al viento:

$$P_{thrust}=(V - V_w)\,F_{thrust}$$

Como el viento sopla hacia delante, utilizaremos menos potencia de la que generamos si aplicamos suficiente empuje para equilibrar la fuerza de frenado, lo que significa que tendremos potencia extra para aplicar más empuje y acelerar.

Una mejor aproximación a la relación empuje-potencia-velocidad está por llegar...

Answer 5

La razón está en el mecanismo de la fuerza que impulsa el velero. El mecanismo no es la presión que ejerce el viento sobre la vela, sino la sustentación que crea el flujo de viento alrededor de la vela. Así que es el principio de Bernoulli el que impulsa los veleros.

edit: Lo siento, no me di cuenta de que habías dicho a favor del viento...