Los vehículos propulsados por viento obtienen su energía de velas , cometas o rotores y se desplazan sobre ruedas (que pueden estar conectadas a un rotor propulsado por viento) o patines. Ya sean propulsados por velas, cometas o rotores, estos vehículos comparten un rasgo común: a medida que el vehículo aumenta su velocidad, el perfil aerodinámico que avanza se encuentra con un viento aparente cada vez mayor en un ángulo de ataque cada vez menor. 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 a menudo son capaces de alcanzar velocidades superiores a las del viento.
Los modelos propulsados por rotor han demostrado velocidades terrestres superiores a las del viento, tanto directamente contra el viento como directamente a favor del viento , transfiriendo potencia a través de un tren de transmisión entre el rotor y las ruedas. El récord de velocidad con propulsión eólica lo ha conseguido un vehículo con vela, el Greenbird , con una velocidad máxima registrada de 202,9 kilómetros por hora (126,1 mph).
Otros medios de transporte propulsados por viento incluyen barcos de vela que se desplazan sobre el agua y globos y planeadores que se desplazan por el aire, todos ellos temas que quedan fuera del alcance de este artículo.
Los vehículos propulsados por velas se desplazan sobre tierra o hielo a velocidades de viento aparentes superiores a la velocidad del viento real, con navegación ceñida en la mayoría de los puntos de navegación. Tanto los yates terrestres como los barcos para navegar sobre hielo tienen una resistencia hacia delante baja a la velocidad y una resistencia lateral alta 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 punto de la 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 medida en la embarcación en movimiento. El viento aparente sobre la vela crea una fuerza aerodinámica total, que puede descomponerse en resistencia —el componente de fuerza en la dirección del viento aparente— y sustentación —el componente de fuerza normal (90°) al viento aparente—. Dependiendo de la alineación de la vela con el viento aparente, la sustentación o resistencia puede ser el componente propulsor predominante. La fuerza aerodinámica total también se descompone en una fuerza impulsora, propulsora y hacia adelante —resistida por el medio a través o sobre el cual pasa la embarcación (por ejemplo, a través del agua, el aire o sobre hielo, arena)— y una fuerza lateral, resistida por las ruedas o los patines de hielo del vehículo. [2]
Debido a que los vehículos propulsados por viento suelen navegar en ángulos de viento aparente 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 hacia adelante al movimiento, las altas velocidades sobre la superficie y la alta resistencia lateral ayudan a crear altas velocidades aparentes del viento (con una alineación más cercana del viento aparente con el curso recorrido para la mayoría de los puntos de la vela) y permiten que los vehículos propulsados por viento alcancen velocidades más altas que las embarcaciones de vela convencionales. [4] [5]
La navegación a vela ha pasado de ser una novedad a convertirse en un deporte desde la década de 1950. Los vehículos utilizados para navegar se conocen como yates de tierra 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 a vela es más adecuada para áreas planas con viento; las carreras a menudo se llevan a cabo en playas , aeródromos y lechos de lagos secos en regiones desérticas . [6]
En tierra se han establecido los siguientes récords para vehículos propulsados por velas:
Los diseños de los barcos de hielo generalmente se sostienen mediante tres palas de patín llamadas "corredores" que sostienen un marco triangular o en forma de cruz con el corredor de dirección al frente. Los corredores están hechos de hierro o acero y afilados hasta un borde fino, generalmente cortados en un borde en ángulo de 90 grados, que se sostiene en el hielo, evitando el deslizamiento lateral por la fuerza lateral del viento desarrollado por las velas. Una vez que la fuerza lateral ha sido contrarrestada de manera efectiva por el borde del corredor, 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 tan cerca como 7 grados del viento aparente. [4] Los barcos de hielo pueden alcanzar velocidades tan altas como diez veces la velocidad del viento en buenas condiciones. Los barcos de hielo internacionales DN suelen alcanzar velocidades de 48 nudos (89 km/h; 55 mph) durante las carreras, 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 uno puede viajar y tablas en las que uno puede estar de pie mientras se desliza sobre la nieve y el hielo o rueda sobre ruedas sobre la tierra.
Una cometa es una lámina aerodinámica 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 por encima y alta presión por 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 sustentación y resistencia se opone a la tensión de una o más de las líneas o correas a las que está unida la cometa, lo que impulsa el vehículo. [14]
Un buggy cometa es un vehículo ligero, construido especialmente y propulsado por una cometa motorizada . Tiene un solo asiento y una rueda delantera orientable y dos ruedas traseras fijas. El conductor se sienta en el asiento situado en el medio del vehículo y acelera y desacelera aplicando maniobras de dirección en coordinación con las maniobras de vuelo de la cometa. Los buggies cometa pueden alcanzar los 110 kilómetros por hora (68 mph). [ cita requerida ]
Se utilizan tablas de kitesurf de diferentes tipos en tierra firme o en la nieve. El kitesurf en tierra implica el uso de una tabla de montaña o de tierra, una patineta con grandes ruedas neumáticas y correas para los pies. [ cita requerida ] El snow kite es un deporte de invierno al aire libre en el que las personas utilizan la potencia de una cometa para deslizarse sobre una tabla (o esquís) sobre la nieve o el hielo. [ cita requerida ]
Los vehículos propulsados por rotor son vehículos propulsados por el viento que utilizan rotores (en lugar de velas) que pueden tener una cubierta alrededor de ellos ( ventilador conducido ) o constituir una hélice sin conducto , y que pueden ajustar la orientación para enfrentar el viento aparente. El rotor puede estar conectado a través de un tren de transmisión a las 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 perfiles aerodinámicos 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. [16]
Un vehículo con un rotor de palas conectado mecánicamente a las ruedas puede diseñarse para ir a una velocidad mayor que la del viento, tanto directamente contra el viento como directamente a favor del mismo. A favor 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 en sentido inverso. Sin embargo, si se viaja contra el viento, el aire llega al vehículo más rápido que el suelo, mientras que si se viaja a favor del viento, a una velocidad superior a la del viento, el aire llega al vehículo más lentamente que el suelo. El vehículo obtiene energía del medio más rápido de los dos en cada caso y la transmite al más lento de los dos: en contra del viento, obtiene energía del viento y la transmite a las ruedas, y en contra del viento, obtiene energía de las ruedas y la transmite al rotor, en cada caso en proporción a la velocidad del medio en relación con el vehículo. [17]
En resumen: [17]
La velocidad a 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 en el agua a barlovento, [19] o que utiliza una turbina hidráulica para impulsar una hélice en la corriente de aire a sotavento. [20]
Se han celebrado varias competiciones para vehículos propulsados por rotor. Entre ellas destaca Racing Aeolus , un evento que se celebra anualmente en los Países Bajos . Las universidades participantes crean entradas para determinar el mejor y más rápido vehículo propulsado por viento. [21] Las reglas son que los vehículos anden sobre ruedas, con un conductor, propulsado por un rotor, acoplado a las ruedas. Se permite el almacenamiento temporal de energía, si está vacío al comienzo de la carrera. La carga del dispositivo de almacenamiento se cuenta como tiempo de carrera. La carrera se lleva a cabo contra el viento. Los vehículos son juzgados por su carrera más rápida, la innovación y los resultados de una serie de carreras de aceleración . [22] En 2008, los participantes fueron de: la Universidad de Stuttgart , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Flensburg , 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] Los dos vehículos de mayor rendimiento fueron el “Ventomobile” y el Spirit of Amsterdam (1 y 2) .
El Ventomobile era un vehículo ligero de tres ruedas impulsado por el viento diseñado por estudiantes de la Universidad de Stuttgart . Tenía un soporte de rotor de fibra de carbono que se dirigía hacia el viento y palas de rotor de paso 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 propulsados por viento Spirit of Amsterdam y Spirit of Amsterdam 2 fueron construidos por la Hogeschool van Amsterdam (Universidad de Ciencias Aplicadas de Ámsterdam) . 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 Hogeschool van Amsterdam. Utilizaba una turbina eólica para capturar la velocidad del viento y utilizaba energía mecánica para impulsar el vehículo contra el viento. Este vehículo era capaz de desplazarse a 6,6 metros por segundo (15 mph) con un viento de 10 metros por segundo (22 mph). Una computadora de a bordo cambiaba automáticamente las marchas 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 mismo más rápido que la velocidad del viento predominante .
En 1904, George Phillips de Webster, Dakota del Sur, demostró un vehículo impulsado por hélice que podía viajar contra el viento. [27]
En 1969, Andrew Bauer, ingeniero de túneles de viento de la Douglas Aircraft Company, construyó y demostró un vehículo impulsado por hélice que podía ir directamente a favor del viento a una velocidad superior a la del viento, lo que quedó grabado en un vídeo. [28] Publicó el concepto ese 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, ingeniero aeroespacial y tecnólogo informático , fabricó un modelo de juguete basado en ese diseño, que encajaba en una cinta de correr, y presentó un vídeo del mismo al desafío de vídeo Mythbusters. [31]
En 2010, Cavallaro construyó y pilotó un vehículo propulsado por 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, ir 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 se reconstruyó un modelo de juguete funcional con instrucciones de impresión 3D en 2021. [39]
Más de 100 pilotos de ocho países competirán por la arena a velocidades de hasta 60 mph.
{{citation}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )El Spirit of Amsterdam 2 fue el segundo vehículo construido por la Hogeschool van Amsterdam. Utilizaba 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.