Ludwig Prandtl (4 de febrero de 1875 - 15 de agosto de 1953) [1] fue un físico , dinámico de fluidos y científico aeroespacial alemán. Fue pionero en el desarrollo de análisis matemáticos sistemáticos rigurosos que utilizó para fundamentar la ciencia de la aerodinámica , que han llegado a formar la base de la ciencia aplicada de la ingeniería aeronáutica . [2] En la década de 1920, desarrolló la base matemática de los principios fundamentales de la aerodinámica subsónica en particular; y en general hasta las velocidades transónicas incluidas . Sus estudios identificaron las teorías de la capa límite , los perfiles aerodinámicos delgados y las líneas de sustentación . El número de Prandtl recibió su nombre. [3]
Prandtl nació en Freising , cerca de Múnich , el 4 de febrero de 1875. [3] Su madre sufrió una larga enfermedad y, como resultado, Ludwig pasó más tiempo con su padre, profesor de ingeniería. Su padre también lo alentó a observar la naturaleza y pensar sobre sus observaciones.
Prandtl ingresó en la Technische Hochschule de Múnich en 1894 y se doctoró 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 la universidad, Prandtl fue a trabajar a 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 agudamente divergente nunca se produjo. Este fenómeno 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 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 fluidos con 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 describió 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 más tarde ese año. En 1907, durante su estancia en Göttingen, Prandtl recibió el encargo 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 mediciones en túneles de viento de modelos de dirigibles con el objetivo de obtener formas con una resistencia mínima del aire. Durante la Primera Guerra Mundial , se utilizó como un gran establecimiento de investigación con muchas tareas, entre ellas la sustentación y la resistencia en los perfiles aerodinámicos, la aerodinámica de las bombas y la cavitación en las palas de las hélices de los submarinos. [10] En 1925 , la universidad escindió su brazo de investigación para crear el Instituto Kaiser Wilhelm de Investigación de Flujo (ahora Instituto Max Planck de Dinámica y 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. Hubo una pausa en los nuevos descubrimientos sobre la capa límite 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]
En 1914 se publicaron tres artículos más de investigadores de Gotinga sobre la capa límite. Por razones similares a las del artículo de Prandtl de 1904, estos siete primeros artículos sobre la capa límite tardaron en difundirse fuera de Gotinga. En parte debido a la Primera Guerra Mundial, no se publicaron muchos artículos sobre la capa límite hasta que otro de los estudiantes de Prandtl, Theodore Von Karman, publicó un artículo en 1921 sobre la ecuación integral del momento a través de la capa límite. [12]
Siguiendo las pistas previas de Frederick Lanchester de 1902 a 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 Lanchester-Prandtl . También realizó adiciones específicas para estudiar los perfiles aerodinámicos combados, como los de los aviones de la Primera Guerra Mundial, y publicó una teoría simplificada de perfiles aerodinámicos delgados para estos diseños. Este trabajo condujo a la comprensión 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 la punta del ala , [3] que anteriormente se habían ignorado. Prandtl demostró que una distribución de sustentación elíptica a lo largo de la envergadura es la más eficiente, dando la resistencia inducida mínima para la envergadura dada. Estas herramientas permitieron a los diseñadores de aeronaves realizar estudios teóricos significativos de sus aeronaves antes de que se construyeran.
Prandtl luego amplió su teoría para describir una distribución de sustentación en forma de campana, reduciendo las cargas cerca de la punta de las alas al lavar las puntas de las alas hasta que se obtuvo una corriente descendente negativa, lo que dio la resistencia inducida mínima 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 prácticos de aeronaves. 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 de las ondas de choque y el flujo supersónicos en 1908. Los ventiladores de expansión de Prandtl-Meyer permitieron la construcción de túneles de viento supersónicos . Tuvo poco tiempo para trabajar más en el problema hasta la década de 1920, cuando trabajó con Adolf Busemann y creó un método para diseñar una tobera supersónica en 1929. Hoy en día, todos los túneles de viento supersónicos y toberas de cohetes se diseñan utilizando el mismo método. Un desarrollo completo de la supersónica tendría que esperar al trabajo de Theodore von Kármán , un estudiante de Prandtl en Gotinga.
Prandtl desarrolló el concepto de "circulación", que resultó ser particularmente importante para la hidrodinámica de las hélices de los barcos. Realizó la mayor parte del trabajo experimental en su laboratorio de Gotinga entre 1910 y 1918 con su asistente Albert Betz y su alumno 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 Científicos Naturales y Médicos Alemanes (GDNÄ) era la única oportunidad para que los matemáticos aplicados, físicos e ingenieros en los países de habla alemana discutieran. [9] En 1920, se reunieron en Bad Nauheim y llegaron a la conclusión de que existía la necesidad de un nuevo paraguas para las ciencias aplicadas debido a su experiencia durante la guerra. [9] En el mismo año, los físicos principalmente de laboratorios industriales formaron una nueva sociedad llamada Sociedad Física Alemana (DGTP). [9] En septiembre de 1921, las dos sociedades celebraron una reunión con la Sociedad Matemática Alemana (DMV) en Jena . En su primer volumen, ZAMM (Journal of Applied Mathematics and Mechanics) afirmó que esta reunión "por primera vez, las matemáticas aplicadas y la mecánica estaban cobrando importancia en mayor medida" [17]. Esta revista publicitó los objetivos comunes de Prandtl, Theodore von Kármán , Richard von Mises y Hans Reissner . [9]
Además de la fundación de la ZAMM, también se formó la GAMM (Asociación Internacional de Matemáticas Aplicadas y Mecánica) gracias a los esfuerzos conjuntos de Prandtl y sus colegas. [9] Después de estas reuniones iniciales de la 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 la corrección de Prandtl-Glauert . Esto se volvió 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 contribuciones significativas al campo de la tribología . [18]
Tras la investigación de Prandtl sobre las inestabilidades entre 1921 y 1929, pasó a explorar la turbulencia desarrollada. [19] Esto también lo estaba investigando Kármán, lo que dio lugar a una carrera para formular una solución para el perfil de velocidad en la turbulencia desarrollada. [19] En cuanto a la rivalidad profesional que comenzó entre los dos, 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 competición era de caballeros, por supuesto. Pero era una rivalidad de primera clase, una especie de juegos olímpicos, entre Prandtl y yo, y más allá de eso, entre Göttingen y Aquisgrán. El 'campo de juego' era el Congreso de Mecánica Aplicada. Nuestra 'pelota' era la búsqueda de una ley universal de la 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 Reynolds 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 el límite fue influyente y fue 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 una serie de experimentos en la conferencia que confirmaron muchos de los descubrimientos teóricos de von Kármán y Prandtl. [21]
Tras el 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, escribiendo 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 una nueva 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 de la Alemania nazi a los judíos, Prandtl escribió: "La lucha, que Alemania desafortunadamente tuvo que librar contra los judíos, fue necesaria para su autoconservación". Prandtl también afirmó que "si habrá guerra, la culpa de haberla causado por medidas políticas está 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 la "física judía" ( relatividad y teoría cuántica ) por parte de los físicos alemanes. Después de la publicación de la Petición DPG, la creencia en la superioridad de la "física alemana" se deterioró para permitir que los estudiantes alemanes estudiaran estos nuevos campos en la escuela. [21]
Prandtl trabajó en Gotinga hasta su muerte el 15 de agosto de 1953. Sus trabajos sobre dinámica de fluidos se siguen utilizando hoy en día en muchas áreas de la aerodinámica y la ingeniería química . A menudo se le considera el padre de la aerodinámica moderna.
El cráter Prandtl, en el otro lado 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 Internacional de la Fama del Aire y el Espacio en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego . [23]
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