El efecto pistón se refiere al flujo de aire forzado dentro de un túnel o pozo causado por vehículos en movimiento. [1] Es uno de los numerosos fenómenos que los ingenieros y diseñadores deben considerar al desarrollar una variedad de estructuras.
Al aire libre, cuando un vehículo se desplaza, el aire empujado a un lado puede moverse en cualquier dirección excepto hacia el suelo. Dentro de un túnel, el aire está confinado por las paredes del túnel para moverse a lo largo del mismo. Detrás del vehículo en movimiento, a medida que el aire ha sido empujado hacia afuera, se crea succión y el aire es atraído para fluir hacia el túnel. Además, debido a la viscosidad del fluido , la superficie del vehículo arrastra el aire para que fluya con el vehículo, una fuerza que el vehículo experimenta como arrastre superficial . Este movimiento de aire por el vehículo es análogo al funcionamiento de un pistón mecánico como el interior de una bomba de gas con compresor alternativo , de ahí el nombre de "efecto pistón". El efecto también es similar a las fluctuaciones de presión dentro de las tuberías de drenaje a medida que las aguas residuales empujan el aire frente a ellas.
El efecto pistón es muy pronunciado en los túneles ferroviarios, porque el área de la sección transversal de los trenes es grande y en muchos casos llena casi por completo la sección transversal del túnel . El viento que sienten los pasajeros en los andenes de los trenes subterráneos (que no tienen puertas de andén instaladas) cuando se aproxima un tren es un flujo de aire del efecto pistón. El efecto es menos pronunciado en los túneles de vehículos de carretera, ya que el área de la sección transversal del vehículo es pequeña en comparación con el área de la sección transversal total del túnel. Los túneles de vía única experimentan el efecto máximo, pero la distancia entre el material rodante y el túnel, así como la forma de la parte delantera del tren, afectan a su resistencia. [3]
El flujo de aire provocado por el efecto pistón puede ejercer grandes fuerzas sobre las instalaciones dentro del túnel, por lo que estas deben diseñarse con cuidado e instalarse correctamente. A veces se necesitan compuertas antirretorno para evitar que los ventiladores se atasquen debido a este flujo de aire. [3]
Los diseñadores de edificios deben tener en cuenta el efecto pistón en relación con el movimiento del humo en el hueco de un ascensor . [4] Una cabina de ascensor en movimiento expulsa el aire que se encuentra delante de ella y lo introduce en el hueco que se encuentra detrás de ella. El efecto es más evidente en los sistemas de ascensores con una cabina que se mueve rápidamente en un solo hueco. Esto significa que, en caso de incendio, un ascensor en movimiento puede empujar el humo hacia los pisos inferiores. [4]
El efecto pistón se utiliza en la ventilación de túneles. En los túneles ferroviarios, el tren expulsa el aire que tiene delante hacia el conducto de ventilación más próximo que se encuentra delante y aspira aire hacia el túnel desde el conducto de ventilación más próximo que se encuentra detrás. El efecto pistón también puede ayudar a la ventilación en túneles para vehículos de carretera.
En los sistemas de transporte rápido subterráneo, el efecto pistón contribuye a la ventilación y, en algunos casos, proporciona suficiente movimiento de aire para que la ventilación mecánica sea innecesaria. En estaciones más anchas con múltiples vías, la calidad del aire sigue siendo la misma e incluso puede mejorar cuando se desactiva la ventilación mecánica. Sin embargo, en plataformas estrechas con un solo túnel, la calidad del aire empeora cuando se depende únicamente del efecto pistón para la ventilación. Esto aún permite un potencial ahorro de energía al aprovechar el efecto pistón en lugar de la ventilación mecánica cuando sea posible. [5]
El estruendo de túnel es un estruendo fuerte que a veces generan los trenes de alta velocidad cuando salen de los túneles. Estas ondas de choque pueden molestar a los residentes cercanos y dañar los trenes y las estructuras cercanas. Las personas perciben este sonido de manera similar al estruendo sónico de un avión supersónico. Sin embargo, a diferencia del estruendo sónico, el estruendo de túnel no es causado por trenes que superan la velocidad del sonido. En cambio, el estruendo de túnel es el resultado de la estructura del túnel que impide que el aire alrededor del tren escape en todas las direcciones. Cuando un tren pasa por un túnel, crea ondas de compresión frente a él. Estas ondas se fusionan en una onda de choque que genera un estruendo fuerte cuando llega a la salida del túnel. [6] [7] La fuerza de esta onda es proporcional al cubo de la velocidad del tren, por lo que el efecto es mucho más pronunciado con trenes más rápidos. [7]
El ruido de los túneles puede molestar a los residentes cerca de las bocas de los túneles, y se ve exacerbado en los valles montañosos donde el sonido resuena. Reducir estas perturbaciones es un desafío significativo para las líneas de alta velocidad como el Shinkansen de Japón, el TGV de Francia y el AVE de España . El ruido de los túneles se ha convertido en una limitación principal para aumentar la velocidad de los trenes en Japón, donde el terreno montañoso requiere túneles frecuentes. Japón ha promulgado una ley que limita el ruido a 70 dB en áreas residenciales, [8] que incluyen muchas zonas de salida de túneles.
Los métodos para reducir el ruido del túnel incluyen hacer que el perfil del tren sea altamente aerodinámico , agregar capotas a las entradas del túnel, [9] instalar paredes perforadas en las salidas del túnel, [6] y perforar orificios de ventilación en el túnel [7] (similar a colocar un silenciador en un arma de fuego, pero a una escala mucho mayor). El proyecto HS2 en el Reino Unido ha desarrollado capotas de túnel de "portal poroso" para mitigar el ruido del túnel para los residentes, así como minimizar la incomodidad auditiva para los pasajeros que podría surgir de los cambios de presión del aire en el tren. [10] [11] [12]
Los pasajeros y la tripulación pueden experimentar molestias en los oídos cuando un tren entra en un túnel debido a los rápidos cambios de presión. [13]
