¿Cómo funciona el "water jet pack"?

Question

Así que estaba navegando por YouTube y vi esto dulce video y mientras miraba empecé a preguntarme: "¿Cómo es posible?".

Para ponerte un poco en antecedentes, en caso de que decidas no ver el vídeo, lo que ocurre es que un individuo puede enganchar un "paquete" que succiona el agua y luego la dispara hacia abajo:

Esta levitación por chorro de agua (JetLev) hace que el piloto pueda volar en el aire y desplazarse hacia delante, hacia atrás, de lado a lado e incluso bajo el agua (hay que ver el vídeo para comprobarlo). Así que mi pregunta es: ¿Cómo es posible exactamente?

Answer 1

Como en cualquier otro cohete, la expulsión del propulsor por la tobera genera un empuje igual y opuesto. La dificultad en este caso es que el propulsor se encuentra en la masa de agua sobre la que vuela el aparato.

Si lees el PREGUNTAS FRECUENTES en el sitio web de jetlev verá que la energía y el bombeo son proporcionados por una unidad flotante separada.

La flotabilidad de la unidad de la embarcación apoya el empuje de la elevación del agua a la unidad de la mochila, y la transferencia de impulso cuando la unidad de la mochila la hace girar apoya al "volador".

Afirman haberla lanzado como producto comercial el mes pasado (marzo de 2011). Es de suponer que se podrá alquilar uno en el club med o lugares similares.

Answer 2

Bueno, debería estar estudiando para un examen de física, pero consideraré que responder a esto es mi estudio.

La tercera ley de Newton establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. En este caso, el jetpack está expulsando agua a gran velocidad hacia el suelo. Esto genera una fuerza significativa hacia abajo. La fuerza opuesta resultante empuja hacia arriba, elevando al piloto.

La bomba real de la unidad se encuentra en una embarcación flotante unida al jetpack, pero no elevada. De este modo se consigue la fuerza suficiente para que la unidad vuele; de lo contrario, la masa de la bomba sería tan grande que resultaría difícil mantener la presión suficiente para mantener a la bomba y al piloto en el aire.

Desconozco los detalles de cómo se orienta, aunque imagino que haciendo pequeñas variaciones en la presión del agua y en la orientación de cada boquilla, se puede provocar un desequilibrio en las fuerzas que actúan sobre el piloto, haciendo que se muevan hacia un lado u otro.

Answer 3

Para mí, la "paradoja" parece ser:

Una cantidad igual de agua sube por el tubo de suministro amarillo, y luego baja por las boquillas. Cantidades iguales de agua en direcciones opuestas, por lo que parece obvio que la fuerza neta es cero y no puede funcionar.

Una vez resuelta esa paradoja central, los pequeños detalles como la dirección y el funcionamiento submarino son más fáciles de entender.

Hay dos cosas que rompen la simetría "igual y opuesta", cada una de las cuales proporciona algo de elevación:

empuje por cambio neto de velocidad

Las motos acuáticas como el WaveRunner y el Jet Ski y este JetLev toman el agua a través de la entrada y luego salen por la boquilla del chorro. El agua que sale por la boquilla es mucho más rápido que el agua que entra en la admisión, por lo que el arrastre de la entrada se compensa con creces con el empuje de la boquilla del chorro. La diferencia neta de velocidad del agua (desde el agua del lago en calma hasta el agua de escape que se mueve relativamente rápido en una dirección) conduce a una aceleración neta del material que empuja contra el agua (en la dirección opuesta). Este efecto seguiría ocurriendo si el bombeo se realizara únicamente en la unidad de vuelo con un tubo rígido en el agua.

Empuje desacoplado en el barco frente al empuje en la mochila

Mientras la bomba de la embarcación está apagada, el agua del lago "llega hasta" la línea de agua pintada en la embarcación, es decir, ese es el punto en el que la fuerza descendente sobre la embarcación (fuerza gravitatoria sobre su propio peso) equilibra la fuerza de flotación ascendente.

La bomba del barco acelera el agua del lago aproximadamente estacionaria hacia arriba . La fuerza de reacción empuja el barco hacia abajo , llevando la línea de agua pintada bajo el agua. Finalmente, el barco se asienta en una posición (más baja en el agua) en la que la fuerza descendente sobre el barco (la fuerza gravitacional sobre su propio peso, más la fuerza de reacción de empujar el agua hacia arriba del tubo) equilibra la fuerza de flotación ascendente.

Mientras tanto, la tubería de la parte superior toma el agua de alta velocidad que sube por el tubo y le da la vuelta. El cambio de dirección de la velocidad provoca una aceleración neta de esa tubería (y de la mochila y el piloto a los que está firmemente sujeta).

En cierto sentido, parte de la fuerza de gravedad sobre la persona se transfiere a la embarcación, empujando el barco más profundamente en el agua como si la persona estuviera de pie en ese barco, aunque la persona no esté tocando directamente el barco.

Es vagamente como disparar un cañón de agua hacia arriba, y equilibrar una bola centrada sobre ese cañón.

Este sistema también tiene similitudes con el "Lofstrom loop" .

Analogía del hielo

Me ayuda a visualizar las fuerzas implicadas si me imagino el agua como trozos de hielo que se mueven.

Answer 4

Una nota rápida sobre la mecánica, ya que la pregunta ha sido formulada de nuevo :

La fuerza es la tasa de cambio del momento, así que para entender las fuerzas tenemos que ver cómo cambia el momento del agua. Llamemos a la tasa de flujo de masa del agua $M$ (en kg/seg) y la velocidad ascendente $v_u$ . El impulso del agua parte de cero porque está inmóvil en el mar. Cada segundo el barco bombea una masa $M$ hacia arriba a la velocidad $v_u$ por lo que el momento por segundo es (usaremos la convención de que arriba es positivo):

$$ \Delta p = F_{water} = Mv_u $$

Y por la tercera ley de Newton el barco/bomba experimenta una fuerza hacia abajo de:

$$ F_{boat} = -Mv_u $$

En el jetpack el agua hace un giro en U y se dirige de nuevo hacia abajo a una velocidad diferente $v_d$ . Así que el impulso por segundo comienza en $Mv_u$ y termina en $Mv_d$ y por lo tanto el cambio de impulso lo es:

$$ \Delta p = F_{water} = Mv_d - Mv_u = M(v_d - v_u) $$

La velocidad $v_d$ es negativo (porque es hacia abajo) por lo que $F_{water} \le 0$ y la fuerza sobre el agua es hacia abajo. De nuevo utilizamos la tercera ley de Newton para concluir que hay una fuerza hacia arriba en el jetpack de:

$$ F_{jetpack} = M(v_u - v_d) $$

Y esa fuerza hacia arriba es la razón por la que el jetpack vuela.

Posiblemente esto sea más claro si tomamos $V_u$ y $V_d$ para ser el magnitud de las velocidades de subida y bajada. En ese caso obtenemos:

$$ F_{jetpack} = M(V_u + V_d) $$

Tenga en cuenta que podemos hacer $V_d$ tan grande como queramos reduciendo el tamaño de la boquilla de la mochila propulsora (suponiendo que tengamos una bomba lo suficientemente potente) para que la fuerza ascendente de la mochila propulsora pueda ser arbitrariamente grande.