Los vehículos impulsados por el viento obtienen su energía de velas , cometas o rotores y viajan sobre ruedas (que pueden estar unidas a un rotor impulsado por el viento) o patines. Ya sean propulsados por vela, cometa o rotor, estos vehículos comparten un rasgo común: a medida que el vehículo aumenta su velocidad, el perfil aerodinámico que avanza encuentra un viento aparente cada vez mayor en un ángulo de ataque cada vez más pequeño. Al mismo tiempo, estos vehículos están sujetos a una resistencia hacia adelante relativamente baja, en comparación con las embarcaciones de vela tradicionales. Como resultado, estos vehículos suelen ser capaces de alcanzar velocidades superiores a las del viento.
Los ejemplos impulsados por rotores han demostrado velocidades de avance que exceden la del viento, tanto directamente contra el viento como directamente a favor del viento transfiriendo energía 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 vela, Greenbird , con una velocidad máxima registrada de 202,9 kilómetros por hora (126,1 mph).
Otros medios de transporte impulsados por el viento incluyen veleros que viajan sobre el agua y globos y planeadores que viajan en el aire, todos los cuales están fuera del alcance de este artículo.
Los vehículos propulsados por velas viajan sobre tierra o hielo con velocidades de viento aparentes superiores a la velocidad del viento real, en ceñida en la mayoría de los puntos de navegación. Tanto los yates terrestres como los barcos de hielo tienen una baja resistencia hacia adelante a la velocidad y una alta resistencia lateral al movimiento lateral.
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 verdadero (la dirección y velocidad del viento sobre la superficie – V T ) se llama punta 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 sobre la vela crea una fuerza aerodinámica total, que puede descomponerse en resistencia (la componente de fuerza en la dirección del viento aparente) y elevación (la 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 de agua, aire o sobre hielo, arena), y una fuerza lateral, resistida por las ruedas o Patines de hielo del vehículo. [2]
Debido a que los vehículos propulsados por viento normalmente navegan con 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 la 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 estrecha del viento aparente con el rumbo recorrido en la mayoría de los puntos de la vela) y permiten que los vehículos propulsados por el viento alcanzar velocidades más altas que las embarcaciones de vela convencionales. [4] [5]
La navegación terrestre ha pasado de ser una novedad a convertirse en un deporte desde la década de 1950. Los vehículos utilizados en la navegación se conocen como yates terrestres o de arena . Por lo general, tienen tres (a veces cuatro) ruedas, que se dirigen mediante pedales o palancas manuales desde una posición sentada o acostada. La navegación terrestre es más adecuada para zonas planas y ventosas; Las carreras suelen tener lugar en playas , aeródromos y lechos de lagos secos en regiones desérticas . [6]
Se han establecido récords para vehículos a vela en tierra, de la siguiente manera:
Los diseños de barcos de hielo generalmente están sostenidos por tres patines llamados "corredores" que sostienen un marco triangular o en forma de cruz con el patín de dirección al frente. Los patines están hechos de hierro o acero y afilados hasta obtener un borde fino, generalmente cortado en un ángulo de 90 grados, que sujeta el hielo, evitando el deslizamiento lateral debido a la fuerza lateral del viento desarrollada por las velas. Una vez que la fuerza lateral ha sido contrarrestada efectivamente por el borde de la corredera, la fuerza restante de "elevación de la vela" aspira el barco hacia adelante con una potencia significativa. Esa potencia aumenta a medida que aumenta la velocidad del barco, lo que le permite ir mucho más rápido que el viento. Las limitaciones a la velocidad de los barcos de hielo son la resistencia al 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 barcos de hielo pueden alcanzar velocidades de hasta diez veces la velocidad del viento en buenas condiciones. Los barcos de hielo internacionales DN a menudo alcanzan velocidades de 48 nudos (89 km/h; 55 mph) mientras regatean, y se han registrado velocidades de hasta 59 nudos (109 km/h; 68 mph). [11]
Los vehículos propulsados por cometas incluyen buggies en los que se puede montar y tablas en las que uno puede pararse mientras se desliza sobre la nieve y el hielo o rueda sobre ruedas sobre la tierra.
Una cometa es una lámina de aire atada que crea sustentación y 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. [12] 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. [13] La interacción con el viento también genera resistencia horizontal a lo largo de la dirección del viento. El vector de fuerza resultante de los componentes de fuerza de elevación y arrastre se opone a la tensión de una o más de las líneas o ataduras a las que está unida la cometa, impulsando así el vehículo. [14]
Un kite buggy es un vehículo ligero especialmente diseñado y propulsado por una cometa eléctrica . Es monoplaza y tiene una rueda delantera orientable y dos ruedas traseras fijas. El conductor se sienta en el asiento situado en el centro del vehículo y acelera y frena aplicando maniobras de dirección en coordinación con las maniobras de vuelo de la cometa. Los kite buggies pueden alcanzar los 110 kilómetros por hora (68 mph). [ cita necesaria ]
Las tablas de kitesurf de diferentes tipos se utilizan en tierra firme o en la nieve. El kite landboarding implica el uso de una tabla de montaña o de tierra, una patineta con grandes ruedas neumáticas y correas para los pies. [ cita necesaria ] El kite en la nieve es un deporte de invierno al aire libre en el que las personas usan la potencia de la cometa para deslizarse sobre una tabla (o esquís) sobre la nieve o el hielo. [ cita necesaria ]
Los vehículos propulsados por rotores son vehículos propulsados por el viento que utilizan rotores —en lugar de velas— que pueden tener una cubierta alrededor ( ventilador conducido ) o constituir una hélice sin conductos , y que pueden ajustar la orientación para enfrentar el viento aparente. El rotor puede estar conectado mediante un tren de transmisión a 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. [15] Una versión de 1904 empleó un rotor reutilizado de un molino de viento producido en masa con su engranaje conectado a las ruedas motrices. [dieciséis]
Un vehículo con un rotor de palas conectado mecánicamente a las ruedas puede diseñarse para ir a una velocidad más rápida que la del viento, tanto directamente contra el viento como directamente a favor del viento. En contra del viento, el rotor funciona como una turbina eólica que impulsa las ruedas. A favor del viento, funciona como una hélice , impulsada por las ruedas. En ambos casos, la potencia proviene de la diferencia de velocidad entre la masa de aire y el suelo, tal como la recibe el rotor o las ruedas del vehículo. [17]
En relación con el vehículo, tanto el aire como el suelo pasan hacia atrás. Sin embargo, al viajar contra el viento, el aire llega al vehículo más rápido que el suelo, mientras que al viajar a favor del viento más rápido que la velocidad del viento, el aire llega al vehículo más lentamente que el suelo. El vehículo obtiene potencia del más rápido de los dos medios en cada caso y la imparte al más lento de los dos: en ceñida, extrayendo potencia del viento y transmitiéndola a las ruedas y, a favor del viento, extrayendo potencia de las ruedas y transmitiéndola a las ruedas. el rotor, en cada caso en proporción a la velocidad del medio, en relación con el vehículo. [17]
En resumen: [17]
La rapidez con la que una determinada velocidad del viento puede impulsar un vehículo en cualquier dirección está limitada únicamente por la eficiencia de las palas de la turbina , las pérdidas en el tren de transmisión y la resistencia aerodinámica del vehículo , además de la resistencia de la turbina. [17]
Los mismos principios se aplican a una embarcación que utiliza una turbina eólica para impulsar una hélice de tornillo en el agua en contra del viento, [19] o que usa una turbina hidráulica para impulsar una hélice en la corriente de aire a favor del viento. [20]
Se han celebrado varios concursos para vehículos propulsados por rotores. Entre ellos destaca el Racing Aeolus , un evento que se celebra anualmente en los Países Bajos . Las universidades participantes crean inscripciones para determinar cuál es el mejor y más rápido vehículo propulsado por viento. [21] 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 vacía al inicio de la carrera. Cargar el dispositivo de almacenamiento se cuenta como tiempo de carrera. Las carreras se desarrollan contra el viento. Los vehículos se juzgan por su carrera más rápida, su innovación y los resultados de una serie de carreras de resistencia . [22] En 2008, los participantes procedían de: la Universidad de Stuttgart , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Flensburgo , el Centro de Investigación Energética de los Países Bajos , la Universidad Técnica de Dinamarca , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Kiel y la Universidad Christian Albrechts de Kiel. [23] Dos de los que obtuvieron mejores resultados fueron el "Ventomobile" y el Spirit of Amsterdam (1 y 2) .
El Ventomobile era un vehículo ligero de tres ruedas propulsado por el viento y diseñado por estudiantes de la Universidad de Stuttgart . Tenía un soporte de rotor de fibra de carbono dirigido 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 realizaba a través de dos cajas de cambios de bicicleta y una cadena de bicicleta. [24] Ganó el primer premio en el Racing Aeolus celebrado en Den Helder , Países Bajos , en agosto de 2008. [23]
Los vehículos terrestres de propulsión eólica 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. [25] El Spirit of Amsterdam 2 fue el segundo vehículo construido por la furgoneta Hogeschool de Ámsterdam. Utilizó una turbina eólica para capturar la velocidad del viento y utilizó energía mecánica para impulsar el vehículo contra el viento. Este vehículo era capaz de circular a 6,6 metros por segundo (15 mph) con un viento de 10 metros por segundo (22 mph). Una computadora a bordo cambiaba automáticamente de marcha para lograr un rendimiento óptimo. [26]
Algunos vehículos propulsados por viento se construyen únicamente para demostrar un principio limitado, por ejemplo, la capacidad de ir contra el viento o a favor del viento más rápido que la velocidad del viento predominante .
En 1904, George Phillips de Webster, Dakota del Sur, demostró un vehículo propulsado por hélice que podía viajar contra el viento. [27]
En 1969, Andrew Bauer, un ingeniero de túnel de viento de Douglas Aircraft Company , construyó y demostró un vehículo propulsado por hélice que podía ir directamente a favor del viento más rápido que la velocidad del viento, lo cual se registró en un video. [28] Publicó el concepto en el mismo año. [29]
En 2006, Jack Goodman publicó un vídeo de un diseño casero similar, describiéndolo como "directamente a favor del viento más rápido que el viento" (DDFTTW). [30] En 2008, Rick Cavallaro, un ingeniero aeroespacial y tecnólogo informático , hizo un modelo de juguete basado en ese diseño, que encajaba en una cinta de correr, y envió un video del mismo al desafío de video Mythbusters. [31]
En 2010, Cavallaro construyó y pilotó un vehículo propulsado por el viento, Blackbird , [32] 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. [33] Logró dos hitos validados, yendo tanto directamente a favor del viento como directamente contra el viento más rápido que la velocidad del viento predominante.
Blackbird ha sido analizado varias veces desde entonces, en artículos de investigación [37] y en la Olimpiada Internacional de Física de 2013, [38] y en 2021 se reconstruyó un modelo de juguete funcional con instrucciones de impresión 3D. [39]
Más de 100 pilotos de ocho países correrán por la arena a velocidades de hasta 60 mph.
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Utilizó una turbina eólica (originalmente diseñada por 'DonQi Urban Windmill') para capturar la velocidad del viento y utiliza energía mecánica para impulsar el vehículo contra el viento.