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Propulsión y empuje

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Sistemas de propulsión de fluidos son omnipresentes en el diseño mecánico y se utilizan en cualquier momento una fuerza relativa debe aplicarse entre un líquido y un sistema mecánico. Todas las embarcaciones de aire y el agua emplean sistemas de propulsión de fluidos para proporcionar propulsión fuerzas o empuja para aceleración y dirección a través del fluido circundante. Su uso no es limitado a los vehículos. Sistemas fijos tales como equipo de HVAC también utilizan sistemas de propulsión. Pero en estos casos la circulación del fluido mismo. Este video ilustra cómo empuje es producido por sistemas de propulsión fluido de operación abierta, una categoría que incluye ventiladores y hélices. Y demostrar cómo empuje y empuje de eficiencia puede ser estimada y medida en el laboratorio.

El impulso de sistemas de propulsión fluido de operación abierta, como propulsores de aeroplano o apoyos del barco, es producido por acelerar el ambiente líquido a una velocidad alta. Estos sistemas de extraer líquido de un área aguas arriba y agotan abajo en un chorro estrecho. Con una salida de flujo de área aproximadamente igual a la zona de la cara de la hélice. Vamos a ver cómo se genera empuje adoptando un enfoque de volumen de control. Comenzar con la construcción de un volumen de control a lo largo de las líneas de corriente alrededor de la hélice, que se extiende desde la zona de entrada a la salida de área de flujo. La tasa de flujo de masa en el volumen de control en el consumo es el producto de la densidad del fluido aguas arriba, la zona de entrada y la velocidad del fluido aguas arriba. Asimismo, la tasa de flujo másico fuera del control de volumen en los gases de escape es el producto de la densidad del fluido aguas abajo, la zona de salida y la velocidad del fluido corriente abajo. No hay flujo de masa se producirá a través de la frontera optimizada por definición. Durante la operación constante la masa dentro del volumen de control debe permanecer constante. Entonces, por la conservación de la masa, la tasa de masa saliendo por la zona de salida debe ser igual a la tasa de masa entrando por el área de admisión. Ahora porque las densidades de entrada y salida son aproximadamente iguales, la velocidad de salida será igual a la velocidad de ingesta escalada por la relación de consumo al área de salida. Desde el área de admisión es mucho más grande que el área de salida, la velocidad de salida será mucho mayor que la velocidad de ingesta. De manera similar, conservación del ímpetu requiere que cualquier diferencia en las tasas de flujo de impulso de y en el volumen de control se manifiesta como una fuerza de la hélice, la fuerza de empuje. Puesto que las tasas de flujo de masa hacia adentro y hacia afuera están en equilibrio y la velocidad de salida es mucho mayor que la velocidad de consumo, la contribución del término de velocidad de entrada es despreciable. Ampliar el término de velocidad de flujo de masa en este resultado muestra que el empuje se aproxima bien por la zona de salida y la velocidad. En cualquier propulsión sistema energía es suministrada por una fuente externa para generar el empuje. La eficiencia de empuje del sistema, aquí denotada por la letra griega eta, se define como el cociente entre el empuje generado a la potencia de entrada. Por ejemplo, hélices de aviones de modelo y los ventiladores de la PC son conducidos por un motor eléctrico. Si se conoce la fuerza de empuje, dividiéndola por la energía de entrada eléctrica dará la eficacia de empuje. A continuación medimos el empuje y la eficiencia de empuje de algunos sistemas de propulsión pequeños utilizando un banco de prueba estático. Y luego comparar el empuje medido a un cálculo basado en la velocidad de salida.

Montar el pedestal de prueba como se describe en el texto y configurarlo en el Banco de trabajo. El soporte tiene una sección de rígido "L" soportada por un pivote a la articulación. Posición de la balanza de precisión en el extremo del brazo horizontal corto. Esfuerzo de torsión de la balanza digital en el brazo corto equilibrará cualquier esfuerzo de torsión generado por el empuje en el brazo largo. Y la diferencia en longitud amplifica la fuerza medida por la escala para obtener una lectura más precisa. Con el Banco de prueba montado, montar el propulsor más pequeño en el brazo vertical largo y alinee el eje de la hélice de manera que esté paralela con el brazo corto. Mida y registre el diámetro de la hélice y el diámetro del eje. Ahora, mida y registre la longitud de ambos brazos de momento. Brazo largo debe medirse desde el eje de pivote del eje de la hélice. Y el brazo corto se debe medir desde el eje de pivote para el punto de contacto en la escala. Conecte el motor a una fuente de corriente continua variable y vuelta a comprobar la dirección del flujo, que debe orientarse para que haya una fuerza hacia abajo en la escala. El suministro y si es necesario corregir la dirección del aire mediante la inversión de la conexión eléctrica. Cuando el motor esté completamente todavía Tarar la báscula. Encienda el suministro y aumentar el voltaje de cero voltios, en incrementos de cuatro voltios de punto, hasta pero no superior a la tensión de alimentación máxima de motores. Para cada paso de la tensión de esperar a que el motor se estabilice y luego registro de la tensión, la lectura de la escala actual, promedio y el rango de la escala. Si se dispone de un anemómetro térmico, medir la velocidad de aire de salida para un voltaje de entrada baja y alta tensión de entrada. Tenga en cuenta que la velocidad de salida varía con la posición, así que esto es sólo una medida de la magnitud. Repita este proceso para el motor más grande y el ventilador de la PC. Una vez las mediciones está listo para analizar los datos.

Mirar los datos recogidos para la hélice pequeña. Para cada tensión de alimentación también hay una fuente de corriente y las lecturas de la escala. También debe tener unas medidas de la velocidad de aire de salida. Realizar los siguientes cálculos para cada valor de tensión de alimentación. Calcular el empuje de la lectura de la escala. La fuerza en la escala es la lectura veces la aceleración debido a la gravedad. Y la idea es esta fuerza magnificada por la relación del momento brazos medición anteriormente. Ahora para calcular la potencia de entrada al motor, que es simplemente el producto de la tensión y corriente. Al calcular la eficiencia de empuje tomando la relación entre el empuje y la energía de entrada. Si se midió la velocidad de salida puede utilizar para predecir la fuerza de empuje. Primero calcular el área de salida aproximado tomando la diferencia entre las áreas de apoyo y centro. Luego combinar este resultado con la velocidad medida para calcular el empuje utilizando la ecuación del empuje de antes. Propagar su incertidumbre de medición como se muestra en el texto para determinar la incertidumbre en sus resultados finales. Repetir estos cálculos para la hélice grande y ventilador.

Comience trazando el empuje en función de la potencia de entrada para los tres dispositivos. El ventilador del PC produce el empuje más alto de los tres, y tiene un máximo mayor entrada de energía. La pequeña hélice produce empuje un poco más que los grandes de cualquier poder de entrada dado, pero el ventilador grande es capaz en funcionamiento en energías más altas. Ahora comparar la eficiencia de empuje en función de la potencia de entrada. La eficiencia de empuje de la hélice grande sigue siendo bastante constante, pero la eficacia disminuye con el aumento de poder de los otros dos dispositivos. Si usted tomó cualquier medición de la velocidad de aire de salida, comparar el rango estimado de empujes basado en que el empuje medido desde el pedestal de prueba. Encontrará buen acuerdo entre la predicción y la medición. Pero debido a la medida aproximada de la velocidad de salida, este análisis sólo debe interpretarlas como cualitativa.

Sistemas de propulsión de fluidos son ubicuos en una variedad de sistemas mecánicos y naturales. La movilidad es fundamental para muchas criaturas bajo el agua para la supervivencia, y una gran variedad de sistemas de propulsión natural han evolucionado como resultado. Aletas de propulsión a chorro de cefalópodos, peces, y flagelos en Ameba son sólo algunos ejemplos. Aprender cómo funcionan estos sistemas es importante para comprender cómo estos animales viven e interactúan con su entorno. Molinos de viento y turbinas funcionan en los mismos principios cubiertos en este video, pero aplicado a la inversa. En lugar de utilizar energía almacenada para generar empuje, estos sistemas extraen el impulso y la energía del aire. El eje de rotación del molino de viento puede conducir a un proceso mecánico o bien estar conectado a un generador para producir electricidad.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a propulsión y empuje. Ahora debe comprender los principios básicos de generar empuje con un sistema de propulsión de fluidos de operación abierta. También han aprendido a realizar las pruebas de empuje estático de pequeña escala y determinar la eficiencia de empuje. Gracias por ver.

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