Propulsión y empuje

Los sistemas de propulsión de fluidos son omnipresentes en el diseño mecánico y se utilizan cada vez que es necesario aplicar una fuerza relativa entre un sistema mecánico y un fluido. Todas las embarcaciones aéreas y acuáticas emplean sistemas de propulsión fluida para proporcionar las fuerzas de propulsión o empujes necesarios para la aceleración y la dirección a través del fluido circundante. Sin embargo, su uso no se limita a los vehículos. Los sistemas estacionarios, como los equipos HVAC, también utilizan sistemas de propulsión. Pero en estos casos impulsan la circulación del propio fluido. Este video ilustrará cómo se produce el empuje por los sistemas de propulsión de fluidos de operación abierta, una categoría que incluye hélices y ventiladores. Y demostrar cómo se puede estimar y medir el empuje y la eficiencia del empuje en el laboratorio.

El empuje de los sistemas de propulsión de fluidos de operación abierta, como las hélices de los aviones o las hélices de los barcos, se produce acelerando el fluido ambiental a una alta velocidad. Estos sistemas aspiran fluido de una gran área aguas arriba y lo expulsan aguas abajo en un chorro estrecho. Con un área de flujo de salida aproximadamente igual al área de la cara de la hélice. Veamos cómo se genera el empuje adoptando un enfoque de volumen de control. Comience construyendo un volumen de control a lo largo de las líneas de corriente alrededor de la hélice, que se extienda desde el área de admisión hasta el área de flujo de salida. El caudal másico en el volumen de control en la entrada es el producto de la densidad del fluido aguas arriba, el área de admisión y la velocidad del fluido aguas arriba. De manera similar, el caudal másico del volumen de control en el escape es el producto de la densidad del fluido aguas abajo, el área de salida y la velocidad del fluido aguas abajo. Por definición, no se producirá ningún flujo másico a través del límite de la línea de corriente. Durante el funcionamiento constante, la masa dentro del volumen de control debe permanecer constante. Luego, por conservación de la masa, la tasa de salida de masa a través del área de salida debe ser igual a la tasa de masa que ingresa a través del área de entrada. Ahora, debido a que las densidades de entrada y salida son aproximadamente iguales, la velocidad de salida será igual a la velocidad de entrada escalada por la relación entre el área de entrada y el flujo de salida. Dado que el área de entrada es mucho más grande que el área de salida, la velocidad de salida será mucho mayor que la velocidad de entrada. De manera similar, la conservación del momento requiere que cualquier diferencia en las tasas de flujo de impulso hacia y hacia el volumen de control se manifieste como una fuerza sobre la hélice, el empuje. Dado que los caudales másicos de entrada y salida están equilibrados y la velocidad de salida es mucho mayor que la velocidad de admisión, la contribución del término de velocidad de admisión es insignificante. La expansión del término de caudal másico en este resultado muestra que el empuje está bien aproximado por el área de flujo de salida y la velocidad. En cualquier sistema de propulsión, la energía es suministrada por una fuente externa para generar el empuje. La eficiencia de empuje del sistema, denotada aquí por la letra griega eta, se define como la relación entre el empuje generado y la potencia de entrada. Por ejemplo, las hélices de los aviones en miniatura y los ventiladores de PC son impulsados por un motor eléctrico. Si se conoce el empuje, dividirlo por la potencia eléctrica de entrada producirá la eficiencia del empuje. En las siguientes secciones mediremos el empuje y la eficiencia de empuje de algunos sistemas de propulsión pequeños utilizando un banco de pruebas estático. Y luego compare el empuje medido con una estimación basada en la velocidad de salida.

Ensamble el banco de pruebas como se describe en el texto y colóquelo en el banco de trabajo. El soporte tiene una sección rígida en "L" soportada por un pivote en la articulación. Coloque la escala de precisión debajo del extremo del brazo horizontal corto. El par de la escala digital en el brazo corto equilibrará cualquier par generado por el empuje en el brazo largo. Y la diferencia de longitudes amplifica la fuerza medida por la báscula para producir lecturas más precisas. Con el banco de pruebas montado, monte la hélice más pequeña en el brazo vertical largo y alinee el eje de la hélice de modo que quede paralelo al brazo corto. Mida y registre el diámetro de la hélice y el diámetro del cubo. Ahora mida y registre las longitudes de ambos brazos de momento. El brazo largo debe medirse desde el eje de pivote hasta el eje de la hélice. Y el brazo corto debe medirse desde el eje de pivote hasta el punto de contacto en la escala. Conecte el motor a una fuente de alimentación de CC variable y enciéndalo para verificar la dirección del flujo de aire, que debe dirigirse para que haya una fuerza descendente en la escala. Apague el suministro y, si es necesario, corrija la dirección del flujo de aire invirtiendo la conexión eléctrica. Cuando el motor está completamente quieto, tara la escala. Encienda el suministro y aumente el voltaje desde cero voltios, en incrementos de cuatro voltios, hasta pero sin exceder el voltaje de suministro máximo del motor. Para cada paso en el voltaje, espere a que el motor se estabilice y luego registre el voltaje, la corriente, la lectura de la escala promedio y el rango de la escala. Si se dispone de un anemómetro térmico, mida la velocidad del aire de salida para un voltaje de entrada bajo y un voltaje de entrada alto. Tenga en cuenta que la velocidad de salida variará con la posición, por lo que esta es solo una medición de orden de magnitud. Repita este proceso para el motor más grande y el ventilador de la PC. Una vez completadas las mediciones, estará listo para analizar los datos.

Mire los datos recopilados para la pequeña hélice. Para cada voltaje de alimentación también hay una corriente de suministro y las lecturas de la escala. También debe tener algunas mediciones de la velocidad del flujo de aire de salida. Realice los siguientes cálculos para cada valor de la tensión de alimentación. Calcule el empuje a partir de la lectura de la escala. La fuerza sobre la báscula es la lectura multiplicada por la aceleración debida a la gravedad. Y el empuje es esta fuerza magnificada por la relación de los brazos de momento medidos anteriormente. Ahora calcule la potencia de entrada al motor, que es simplemente el producto del voltaje y la corriente. A continuación, calcule la eficiencia del empuje tomando la relación entre el empuje y la potencia de entrada. Si se midió la velocidad del flujo de salida, puede usarla para predecir el empuje. Primero calcule el área de flujo de salida aproximada tomando la diferencia entre las áreas de puntal y cubo. A continuación, combine este resultado con la velocidad medida para estimar el empuje utilizando la ecuación de empuje anterior. Propague las incertidumbres de medición como se muestra en el texto para determinar la incertidumbre en los resultados finales. Repita estos cálculos para la hélice y el ventilador grandes.

Comience trazando el empuje en función de la potencia de entrada para los tres dispositivos. El ventilador de PC produce el empuje más alto de los tres y tiene una potencia de entrada máxima mucho mayor. La hélice pequeña produce un poco más de empuje que la grande a cualquier potencia de entrada dada, pero el ventilador grande es capaz de operar a potencias más altas. Ahora compare la eficiencia de empuje en función de la potencia de entrada. La eficiencia de empuje de la hélice grande permanece bastante constante, pero la eficiencia disminuye con el aumento de la potencia de los otros dos dispositivos. Si tomó alguna medida de la velocidad del aire de salida, compare el rango estimado de empujes basados en estos con el empuje medido desde el banco de pruebas. Debe encontrar una buena concordancia entre la predicción y la medición. Pero debido a la medición aproximada de la velocidad de salida, este análisis solo debe interpretarse como cualitativo.

Los sistemas de propulsión de fluidos son omnipresentes en una variedad de sistemas mecánicos y naturales. La movilidad es fundamental para la supervivencia de muchas criaturas submarinas y, como resultado, ha evolucionado una gran variedad de sistemas de propulsión naturales. La propulsión a chorro de los cefalópodos, las aletas de los peces y los flagelos de las amebas son solo algunos ejemplos. Aprender cómo funcionan estos sistemas es importante para comprender cómo viven e interactúan estos animales con su entorno. Los molinos de viento y las turbinas funcionan según los mismos principios que se tratan en este vídeo, pero aplicados a la inversa. En lugar de utilizar la energía almacenada para generar empuje, estos sistemas extraen impulso y energía del aire. El eje giratorio del molino de viento puede impulsar un proceso mecánico o bien conectarse a un generador para producir electricidad.

Acabas de ver la introducción de Jove a la propulsión y el empuje. Ahora debería comprender los principios básicos de la generación de empuje con un sistema de propulsión de fluido de operación abierta. También ha aprendido a realizar pruebas de empuje estático a pequeña escala y determinar la eficiencia del empuje. Gracias por mirar.