Ludwig Prandtl (4 de febrero de 1875 - 15 de agosto de 1953) [1] fue un dinámico de fluidos , físico y científico aeroespacial alemán. Fue pionero en el desarrollo de análisis matemáticos sistemáticos rigurosos que utilizó para fundamentar la ciencia de la aerodinámica , que ha llegado a formar la base de la ciencia aplicada de la ingeniería aeronáutica . [2] En la década de 1920, desarrolló la base matemática para los principios fundamentales de la aerodinámica subsónica en particular; y en general hasta e incluyendo velocidades transónicas . Sus estudios identificaron las teorías de la capa límite , los perfiles aerodinámicos delgados y la línea de elevación . El número de Prandtl lleva su nombre. [3]
Prandtl nació en Freising , cerca de Munich , el 4 de febrero de 1875. [3] Su madre sufrió una larga enfermedad y, como resultado, Ludwig pasó más tiempo con su padre, un profesor de ingeniería. Su padre también lo animó a observar la naturaleza y pensar en sus observaciones.
Prandtl ingresó en la Technische Hochschule Munich en 1894 y se graduó con un doctorado. bajo la dirección del profesor August Foeppl en seis años. [4] Su tesis fue "Sobre los fenómenos de inclinación, un ejemplo de equilibrio elástico inestable" (1900), [3]
Después de terminar la universidad, Prandtl empezó a trabajar en la Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg para mejorar un dispositivo de succión para la eliminación de virutas en el proceso de fabricación. Mientras trabajaba allí, descubrió que el tubo de succión no funcionaba porque las líneas de flujo se separaban de las paredes del tubo, por lo que el aumento de presión esperado en el tubo marcadamente divergente nunca ocurrió. Este fenómeno ya había sido observado previamente por Daniel Bernoulli en un caso hidráulico similar . Prandtl recordó que este descubrimiento condujo al razonamiento detrás de su enfoque de la capa límite para la resistencia en fluidos ligeramente viscosos. [5]
En 1901, Prandtl se convirtió en profesor de mecánica de fluidos en la escuela técnica de Hannover , más tarde en la Universidad Técnica de Hannover y luego en la Universidad de Hannover . Fue aquí donde desarrolló muchas de sus teorías más importantes. [3] El 8 de agosto de 1904, presentó un artículo innovador, Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung ( Sobre el movimiento de los fluidos en muy poca fricción ), en el Tercer Congreso Internacional de Matemáticas en Heidelberg . [6] [7] [8] En este artículo, describió la capa límite y su importancia para la resistencia [3] y la racionalización . El artículo también describe la separación del flujo como resultado de la capa límite, explicando claramente el concepto de pérdida por primera vez. Varios de sus estudiantes intentaron soluciones de forma cerrada , pero fracasaron y, al final, la aproximación contenida en su artículo original sigue siendo de uso generalizado.
El efecto del artículo fue tan grande que Prandtl sucedería a Hans Lorenz como director del Instituto de Física Técnica de la Universidad de Göttingen ese mismo año. En 1907, durante su estancia en Göttingen, a Prandtl se le encomendó la tarea de establecer una nueva instalación para estudios de modelos de dirigibles motorizados llamada Motorluftschiffmodell-Versuchsanstalt (MVA), más tarde Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA) en 1919. [9] La instalación se centró en el viento. Mediciones de túneles de modelos de dirigibles con el objetivo de obtener formas con mínima resistencia al aire. Durante la Primera Guerra Mundial , se utilizó como un gran establecimiento de investigación con muchas tareas que incluían elevación y arrastre de perfiles aerodinámicos, aerodinámica de bombas y cavitación en palas de hélices de submarinos. [10] En 1925 , la universidad escindió su rama de investigación para crear el Instituto Kaiser Wilhelm para la Investigación del Flujo (ahora el Instituto Max Planck para la Dinámica y la Autoorganización ). [11]
Debido a la complejidad de las ideas de Prandtl sobre la capa límite en su artículo de 1904, la difusión del concepto fue inicialmente lenta. Mucha gente no adoptó la idea por falta de comprensión. Los nuevos descubrimientos de la capa límite se detuvieron hasta 1908, cuando dos de sus estudiantes en Gotinga, Blasius y Boltze, publicaron sus disertaciones sobre la capa límite. La disertación de Blasius explicó lo que sucede con la capa límite cuando una placa plana entra en contacto paralelo con una corriente uniforme. La investigación de Boltze fue similar a la de Blasius, pero aplicó la teoría de Prandtl a formas esféricas en lugar de objetos planos. Prandtl amplió las ideas de las disertaciones de sus estudiantes para incluir una capa límite térmica asociada con la transferencia de calor. [12]
Habría tres artículos más de investigadores de Gottingen sobre la capa límite publicados en 1914. Debido a razones similares al artículo de Prandtl de 1904, estos primeros 7 artículos sobre la capa límite tardarían en difundirse fuera de Gottingen. En parte debido a la Primera Guerra Mundial, faltarían artículos publicados sobre la capa límite hasta que otro de los estudiantes de Prandtl, Theodore Von Karman, publicó un artículo en 1921 sobre la ecuación integral de momento a través de la capa límite. [12]
Siguiendo las indicaciones anteriores de Frederick Lanchester entre 1902 y 1907, Prandtl trabajó con Albert Betz y Max Munk en el problema de una herramienta matemática útil para examinar la sustentación de las alas del "mundo real". Los resultados se publicaron en 1918-1919, conocidos como la teoría del ala de Lanchester-Prandtl . También hizo adiciones específicas para estudiar los perfiles aerodinámicos curvados, como los de los aviones de la Primera Guerra Mundial, y publicó una teoría simplificada de los perfiles aerodinámicos delgados para estos diseños. Este trabajo llevó a la conclusión de que en cualquier ala de longitud finita, los efectos de la punta del ala se volvieron muy importantes para el rendimiento general y la caracterización del ala. Se incluyó un trabajo considerable sobre la naturaleza de la resistencia inducida y los vórtices de las puntas de las alas , [3] que anteriormente se habían ignorado. Prandtl demostró que una distribución de elevación elíptica a lo largo de la luz es la más eficiente, proporcionando la mínima resistencia inducida para la luz dada. Estas herramientas permitieron a los diseñadores de aviones realizar estudios teóricos significativos de sus aviones antes de construirlos.
Más tarde, Prandtl amplió su teoría para describir una distribución de sustentación en forma de campana, reduciendo las cargas cerca de la punta de las alas lavando las puntas de las alas hasta que se obtuvo un lavado descendente negativo , lo que dio la mínima resistencia inducida para cualquier peso estructural del ala dado. [13] Sin embargo, esta nueva distribución de sustentación atrajo menos interés que la distribución elíptica y fue inicialmente ignorada en la mayoría de los diseños de aviones prácticos. Este concepto ha sido redescubierto por otros investigadores y ha adquirido cada vez más importancia [14] [15] (ver también el avión experimental Prandtl-D ).
Prandtl y su alumno Theodor Meyer desarrollaron las primeras teorías sobre las ondas de choque y el flujo supersónicos en 1908. Los ventiladores de expansión Prandtl-Meyer permitieron la construcción de túneles de viento supersónicos . Tuvo poco tiempo para seguir trabajando en el problema hasta la década de 1920, cuando trabajó con Adolf Busemann y creó un método para diseñar una boquilla supersónica en 1929. Hoy en día, todos los túneles de viento supersónicos y las boquillas de cohetes se diseñan utilizando el mismo método. Un pleno desarrollo de los supersónicos tendría que esperar al trabajo de Theodore von Kármán , alumno de Prandtl en Gotinga.
Prandtl desarrolló el concepto de "circulación", que resultó ser especialmente importante para la hidrodinámica de las hélices de los barcos. Realizó la mayor parte del trabajo experimental en su laboratorio de Göttingen entre 1910 y 1918 con su asistente Albert Betz y su estudiante Max Munk. La mayoría de sus descubrimientos relacionados con la circulación se mantendrían en secreto para el mundo occidental hasta después de la Primera Guerra Mundial. [16]
Antes de la Primera Guerra Mundial, la Sociedad de Naturalistas y Médicos Alemanes (GDNÄ) era la única oportunidad de debate para matemáticos aplicados, físicos e ingenieros de países de habla alemana. [9] En 1920 se reunieron en Bad Nauheim y, debido a su experiencia durante la guerra, llegaron a la conclusión de que era necesario un nuevo paraguas para las ciencias aplicadas. [9] Ese mismo año, físicos principalmente de laboratorios industriales formaron una nueva sociedad llamada Sociedad Alemana de Física (DGTP). [9] En septiembre de 1921, ambas sociedades se reunieron en Jena con la Sociedad Alemana de Matemáticas (DMV) . En su primer volumen, ZAMM (Revista de Matemáticas y Mecánica Aplicadas) afirmó que en esta reunión "por primera vez, las matemáticas aplicadas y la mecánica se desarrollaron en mayor medida" [17] Esta revista anunciaba los objetivos comunes de Prandtl, Theodore von Kármán , Richard von Mises y Hans Reissner . [9]
Además de la fundación de ZAMM, gracias a los esfuerzos conjuntos de Prandtl y sus pares también se formó la GAMM (Asociación Internacional de Matemáticas y Mecánica Aplicadas). [9] Después de estas reuniones iniciales del GAMM, quedó claro que ahora había una nueva comunidad internacional de matemáticos, "ingenieros científicos" y físicos. [9]
Otro trabajo examinó el problema de la compresibilidad a altas velocidades subsónicas, conocido como corrección de Prandtl-Glauert . Esto resultó muy útil durante la Segunda Guerra Mundial cuando los aviones comenzaron a acercarse a velocidades supersónicas por primera vez. También trabajó en meteorología , plasticidad y mecánica estructural . También hizo importantes contribuciones al campo de la tribología . [18]
Tras la investigación de Prandtl sobre las inestabilidades de 1921 a 1929, pasó a explorar la turbulencia desarrollada. [19] Esto también estaba siendo investigado por Kármán, lo que resultó en una carrera para formular una solución para el perfil de velocidad en turbulencia desarrollada. [19] Respecto a la rivalidad profesional que surgió entre ambos, Kármán comentó: “Me di cuenta de que desde que llegué a Aquisgrán mi antiguo profesor y yo estábamos en una especie de competición mundial. La competencia fue caballerosa, por supuesto. Pero al fin y al cabo se trataba de una rivalidad de primer nivel, una especie de Juegos Olímpicos, entre Prandtl y yo, y más allá entre Gotinga y Aquisgrán. El 'campo de juego' fue el Congreso de Mecánica Aplicada. Nuestra 'bola' fue la búsqueda de una ley universal de turbulencia”. [20] Alrededor de 1930, la carrera terminó en empate cuando ambos hombres concluyeron que el cuadrado inverso de la fricción de la piel estaba relacionado con el valor logarítmico del producto del número de Reynold y la fricción de la piel como se ve a continuación, donde k y C son constantes.
El trabajo de Prandtl y von Kármán sobre la frontera fue influyente y adoptado por expertos en aerodinámica e hidrodinámica de todo el mundo después de la Primera Guerra Mundial. En mayo de 1932 se celebró en Hamburgo la Conferencia Internacional sobre Problemas Hidromecánicos de la Propulsión de Buques . Günther Kempf presentó en la conferencia una serie de experimentos que confirmaron muchos de los descubrimientos teóricos de von Kármán y Prandtl. [21]
Después del ascenso de Hitler al poder y el establecimiento del Tercer Reich , Prandtl continuó su papel como director de la Sociedad Kaiser Wilhelm . Durante este período, el Ministerio del Aire nazi , dirigido por Hermann Göring , a menudo utilizó la reputación internacional de Prandtl como científico para promover la agenda científica de Alemania. Prandtl parece haber servido felizmente como embajador del régimen nazi y escribió en 1937 a un representante de la NACA : "Creo que el fascismo en Italia y el nacionalsocialismo en Alemania representan muy buenos comienzos de un nuevo pensamiento y economía". El apoyo de Prandtl al régimen es evidente en sus cartas a GI Taylor y su esposa en 1938 y 1939. Refiriéndose al trato que la Alemania nazi dio a los judíos, Prandtl escribió: "La lucha que, lamentablemente, Alemania tuvo que librar contra los judíos, era necesaria para sí misma". -preservación." Prandtl también afirmó que "si habrá guerra, la culpa por haberla causado mediante medidas políticas es esta vez inequívocamente del lado de Inglaterra". [22]
Como miembro de la Sociedad Alemana de Física (DPG) , Prandtl ayudó a Carl Ramsauer a redactar la Petición DPG en 1941. La Petición DPG se publicaría en 1942 y argumentaba que la física en Alemania se estaba quedando atrás de la de los Estados Unidos debido al rechazo de "Física judía" ( relatividad y teoría cuántica ) de físicos alemanes. Después de la publicación de la Petición DPG, la creencia en la superioridad de la "física alemana" se deterioró para permitir a los estudiantes alemanes estudiar estos nuevos campos en la escuela. [21]
Prandtl trabajó en Göttingen hasta su muerte el 15 de agosto de 1953. Su trabajo en dinámica de fluidos todavía se utiliza hoy en muchas áreas de la aerodinámica y la ingeniería química . A menudo se le conoce como el padre de la aerodinámica moderna.
El cráter Prandtl en la cara oculta de la Luna lleva su nombre.
El Anillo Ludwig-Prandtl lo otorga la Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt en su honor por su destacada contribución en el campo de la ingeniería aeroespacial.
En 1992, Prandtl fue incluido en el Salón de la Fama Internacional del Aire y el Espacio en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego . [23]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )Prandtl
