¿Cómo funciona realmente viento a favor más rápido que el viento (sobre tierra)?

Recientemente ha habido publicaciones en YouTube en las que se ha demostrado que un triciclo terrestre impulsado por hélice/ventilador (mirlo) rueda más rápido que el viento que está detrás de él.

El canal de youtube veritasium lo cubrió recientemente y aparentemente el tema ha existido por un tiempo.

Aunque veritasium proporciona una respuesta en términos de fórmulas y, además, explica en función de la potencia en las ruedas (lo que es contrario a la intuición para mí, como se indica en los puntos capaces), tengo un entendimiento para validar esto (y por lo tanto el pregunta) y quería una confirmación si era correcta. Sin embargo, si es incorrecto, al menos estoy buscando una explicación en el mismo tipo de términos sencillos que estoy tratando de describir.

Específicamente, mi entendimiento es el siguiente:

  1. El viento impulsa el vehículo inicialmente.

  2. Las ruedas (a través de engranajes y cadenas) impulsan la hélice.

  3. Sería seguro asumir que hasta que el vehículo alcanza la velocidad del viento, es propulsado por el viento y, como tal, acumula inercia (y, en consecuencia, puede acelerar).

  4. Sin embargo, las explicaciones (en el video veritasium) tienden a enfocarse en la potencia generada por las ruedas para explicar que el vehículo va más rápido que a favor del viento. El problema con esta explicación es que se sostiene solo en la medida en que el vehículo ha gastado (agotado) la energía potencial que generó inicialmente (de rodar cuando era más lento que el viento). La fricción eventualmente lo ralentizaría al menos a la misma velocidad que el viento. No explica cómo el vehículo es capaz de sostenerlo.

  5. La pregunta es: ¿cuál es la fuerza que permite que el vehículo mantenga la velocidad? Definitivamente no puede ser la potencia de las ruedas: se basa en la inercia y la fricción haría que su energía volviera a cero.

  6. Según tengo entendido, debería haber algún "vínculo" físico entre el viento generado por la hélice (¿lavado de hélice?) que compense y permita que se restablezca el "vínculo" entre la dirección del viento y el vehículo. de manera análoga a un barquero empujando el bote en ríos/lagos poco profundos usando un palo, el lavado de la hélice es el 'palo' y el viento a favor forma el 'lecho del lago/río'.

  7. ¿Es correcto mi entendimiento? Si no es así, ¿qué hay de malo en mi comprensión?

Mi pregunta es similar a la pregunta publicada aquí: ¿Cómo navegar a favor del viento más rápido que el viento?

También tiene una respuesta bastante buena en los últimos días (que creo que extrae información de los videos vinculados a continuación), pero no aclara el punto n. ° 5 (sobre sostenibilidad): https://physics.stackexchange.com/a/651106 /31729

Referencias

  1. (Un profesor de física me apostó $10,000 a que me equivoqué) https://www.youtube.com/watch?v=yCsgoLc_fzI
  2. (Arriesgando mi vida para resolver un debate de física) https://www.youtube.com/watch?v=jyQwgBAaBag
  3. (CNN Early Start - carro contra el viento Blackbird) https://www.youtube.com/watch?v=b8MWCvKIi7E
  4. (DDW.mov) https://www.youtube.com/watch?v=5CcgmpBGSCI
El ingrediente que falta es el par entre la tierra y el vehículo que evita que el vehículo gire en dirección opuesta al ventilador. Si coloca el artilugio en una pista sin masa que gira libremente y lo sostiene con una fuerza normal (suponga que la pista y el carro son aisladores con carga opuesta) y apaga la gravedad, no funcionaría.
O al menos, no tan bien. Todavía hay un pequeño par extra disponible de la aceleración de rotación del carro.
¿Por qué dices que no puede ser la potencia de las ruedas (# 5)?
¿Esta respuesta de physics.SE responde a su pregunta? El vehículo Blackbird está recolectando energía de la diferencia de velocidad entre el aire y la tierra. En el video de seguimiento, Derek Muller demostró el concepto de recolección a partir de la diferencia de velocidad con un dispositivo mecánico.
@ Ben51: lo que quise decir es que la rueda tenía que obtener su poder de algún lugar en primer lugar. Entonces, para empezar, lo obtiene del viento. Pero una vez que la velocidad del vehículo coincide con el viento de cola, es tan bueno como comenzar desde cero, excepto por la velocidad y el impulso que ya ha acumulado (Pot Engy) hasta ese punto. A partir de ese momento solo puede perder energía. La energía acumulada lo ayuda a ir más rápido que el viento, pero tiene que ir de un lado a otro, obtiene energía del viento y corre hacia adelante y luego pierde energía y velocidad por debajo del viento de cola, momento en el que se recupera. de nuevo.

Respuestas (3)

En un comentario que ya vinculé al momento en el video de seguimiento donde Derek Muller demuestra un dispositivo .


Lo siguiente puede enfocar la aerodinámica del vehículo Blackbird. Imagine que el diseño no tiene ninguna restricción de peso y que la hélice se puede construir como un ventilador canalizado .

Para el propósito de la demostración del pensamiento, hacemos que la cubierta de ese ventilador canalizado sea muy larga, podemos visualizarla como un tubo que es más largo que ancho, con la hélice a la mitad de su longitud.

El efecto de esa cubierta alargada es que se evita que la masa de aire escape hacia los lados.

Para su propulsión, este vehículo de ventilador canalizado necesita tener tracción tanto con respecto al suelo como con respecto al viento.

En condiciones ideales, la velocidad del viento es uniforme y el vehículo tiene todo el espacio para seguir recto a favor del viento. Bajo esas circunstancias ideales, una vez puesto en movimiento, el vehículo alcanzará la velocidad máxima (una velocidad sostenida) que el vehículo puede alcanzar bajo las circunstancias dadas. De aquí en adelante me referiré a esa velocidad como "velocidad de crucero".

Cuando el vehículo con ventilador entubado está a velocidad de crucero:
Es necesario que la hélice esté moviendo el aire desde la parte delantera del conducto hacia la parte trasera del conducto. Suponemos que a velocidad de crucero el vehículo va más rápido que el viento, por lo que el vehículo adelanta al viento. La hélice debe exceder esa tasa de flujo, manteniendo un exceso de presión de aire en la mitad trasera del conducto.

Cuando el vehículo está a velocidad de crucero:
aunque el vehículo está adelantando al viento, la presencia del viento trasero aún dificulta que el aire en la mitad trasera del conducto escape del conducto. En ese sentido, el viento de popa es esencial para sostener la diferencia de presión .

Así es como el vehículo con ventilador canalizado puede obtener propulsión a partir de la diferencia de velocidad entre el aire y el suelo.

(En el caso del vehículo Blackbird real, la hélice no tiene conductos, por lo que el aire puede escapar por los lados, pero el vehículo Blackbird va a favor del viento más rápido que el viento. Aparentemente, sin un conducto, todavía es posible obtener una propulsión bastante buena).

Gracias ! El enfoque del ventilador con conductos es lo que estaba pensando cuando mencioné el enfoque del bote y el palo anterior (n. ° 6 en mi pregunta anterior). Sin embargo, sintió que sería más difícil de visualizar.
¿Qué quiere decir cuando dice "cuando el vehículo está en velocidad de crucero"? ¿Cuál consideraría usted que es la velocidad de crucero de este vehículo?
@RavindraHV Agregué un párrafo para describir cómo se debe entender la expresión 'velocidad de crucero'

Puede ir más rápido que el viento en estado estable y no tiene que reducir la velocidad. No está utilizando ninguna energía almacenada para la propulsión, por lo que no hay ninguna razón por la que tenga que reducir la velocidad, a menos que el viento en relación con el suelo disminuya.

Su error es tratar de aplicar un razonamiento secuencial de causa y efecto a un ciclo de retroalimentación. Este enfoque puede ser intuitivo para usted, pero falla en situaciones como esta. En su lugar, debe analizarlo cuantitativamente y encontrar el equilibrio de fuerza y ​​poder.

Para análisis correctos ver:

  • Soluciones para el examen semifinal de la Olimpiada de Física de los Estados Unidos de la AAPT de 2013 (página 10)

  • Drela, Mark "Análisis Dead-Downwind Faster Than The Wind (DFTTW)"

  • Gaunaa, Mac; Oye, Stig; Mikkelsen, Robert (2009), "Teoría y diseño de vehículos impulsados ​​por flujo que utilizan rotores para la conversión de energía"

Gracias hizo una búsqueda rápida, pero aún no se ha analizado en detalle. Principalmente quería obtener una 'sensación intuitiva' de la declaración del problema. También para mi comprensión, asumir 'estado estable' aquí significa 'sin cambio neto'. Para el beneficio de los futuros lectores, el enlace PDF a la primera referencia está aquí: aapt.org/physicsteam/2019/upload/USAPhO-2013-Solutions.pdf . También está disponible en el archivo web.

Creo que cada artículo que he leído está perdiendo el punto por completo. La analogía de los inventores sobre los barcos de vela que giran alrededor de una tubería es la mejor en términos de cómo el viento hace girar la hélice y cómo el viento golpea la hélice y empuja el carro hacia adelante. Ahora, ¿cómo puede ir más rápido que el viento? En pocas palabras, las paletas de la hélice actúan como velas y, de hecho, están cambiando la dirección del viento para que el viento sople las velas hacia los lados en la dirección del viento. Eso significa que el viento de atrás está empujando el carro y desviando el viento corriente abajo hacia los lados, desviando el viento de frente generado para que disminuya la velocidad del carro. Piense en cómo funciona un ventilador eléctrico, el aire entra desde todas las direcciones, incluso de lado, pero se descarga en su mayor parte en la misma dirección, lejos del ventilador. Para los ventiladores del Blackbird, el flujo de aire es el inverso.

//"Las ruedas NO hacen girar el aspa del ventilador empujando el aire hacia la parte trasera del carro".// Esto es completamente incorrecto (y debería saberlo porque diseñé y construí el Blackbird). Las ruedas impulsan la hélice (siempre). La hélice nunca (nunca) impulsa las ruedas. Y una vez que las palas de la hélice giran lo suficientemente rápido como para liberarse (alrededor de la mitad de la velocidad del viento), de hecho generan empuje y empujan el aire hacia la parte trasera del carro. JB