¿Puede un avión volar o flotar usando solo chorros de aire comprimido?

"Si pero no".

Para una tolva de corto alcance: ir de A a B localmente donde estaciona el vehículo en una estación de recarga antes de comenzar su día, el gas comprimido podría funcionar. Si los viajes son lo suficientemente cortos. Si están volando, serán viajes MUY cortos. [Al hurgar en Google se pueden encontrar autos/bicicletas livianos que funcionan con aire comprimido con un alcance de unas pocas millas.]

Sin embargo, hay un límite en cuanto a lo lejos que puede impulsar dicha tecnología, y rápidamente se encuentra con varios problemas.

Eventualmente, alcanza un límite de gas comprimido y tendrá que llegar al almacenamiento de líquido para que quepa más en un tanque. Gracias a la ley de los gases ideales y a la física común de cambio de fase, esto aumenta la energía requerida para usarlo realmente. A medida que intenta usar la energía física almacenada en el gas comprimido, necesita más intercambio de energía térmica para que el gas se mantenga. en expansión.

A medida que intenta expandir su rango, se enfrenta al problema de la tiranía del combustible: para transportar combustible/energía, necesita quemar/usar combustible/energía para llevarlo al lugar donde lo usará para moverse más lejos.

Digamos que tienes algo que usa X combustible para moverse Y distancia. A primera vista, es fácil suponer que el combustible 2X le dará una distancia de 2Y, pero necesita usar combustible para transportar el combustible adicional... Por lo tanto, agrega más de 2X, pero es posible que deba agregar más potencia/empuje para moverse realmente esa cantidad de combustible, lo que a su vez significa que necesita más combustible para proporcionarlo, y... Bueno, puede ver cómo eso comienza a agotarse rápidamente. [Si no ve eso, vaya a jugar Kerbal Space Program y 'agregue más refuerzos']

Más allá de eso, también hay problemas de seguridad con el gas comprimido. Los gases "pesados" pueden desplazar la atmósfera normal y conllevar riesgos de asfixia. Incluso los gases normales conllevan el riesgo de fallas críticas que pueden hacerlos más riesgosos que los combustibles tradicionales más allá de una densidad de energía específica. Compare los riesgos de una 'pequeña fuga' en un tanque de combustible para aviones: se filtra lentamente con el tiempo. Incluso si está en llamas, esa energía se dispersa constantemente con el tiempo. Si rompe un tanque de gas comprimido, entonces la naturaleza es que querrá gastar casi toda su energía en muy poco tiempo. [Y se vuelve más interesante si el gas comprimido es reactivo , ya que querrá forzarse violentamente a salir del almacenamiento incluso por una falla relativamente pequeña].

En resumen, no, este no sería un vehículo práctico. Ciertamente no le proporcionaría días de resistencia.

Su vehículo es básicamente un cohete menos eficiente (aunque más seguro). Los cohetes usan la combustión para aumentar la presión y la temperatura de sus gases de escape, así como para expulsarlos, pero después de eso, el principio es el mismo: las cosas salen de su vehículo en una dirección, su vehículo es empujado en la dirección opuesta. Sin embargo, esto significa que te encuentras con quizás el mayor problema en cohetería. Su empuje tiene que transportar no solo el marco de su vehículo y su carga útil, sino todo el combustible no utilizado (o gas presurizado no liberado, en este caso).

Esto lleva a la ecuación del cohete Tsiolkovsky , una de las ecuaciones más famosas de la ciencia espacial, si no la más famosa, que describe la relación entre la velocidad final de un cohete (= cuánto tiempo están encendidos los motores) y su fracción de masa , o cuánto del cohete es combustible vs estructura y carga útil. Cuanto más tiempo desee quemar, más rápido aumenta la fracción de masa del propulsor hasta que finalmente no tenga espacio para una carga útil útil, o incluso no tenga espacio para su cohete.

En su caso, aunque no esté utilizando sus motores de forma continua para producir una única velocidad final, todavía tiene la carga de cuánto tiempo necesita seguir utilizándolos. (Esto es particularmente cierto en el caso de un vehículo flotante en el que lucha constantemente contra la gravedad. Sería menos cierto, aunque aún se nota, en un vehículo terrestre que solo usa combustible cuando se mueve). poder viajar sin repostar, el mayor porcentaje del mismo debe ser combustible, sin límite.

Entonces, ¿cómo escapan de esto los vehículos terrestres como automóviles y aviones? Es simple: hacen uso de la atmósfera. Los automóviles extraen oxígeno del aire para la combustión, lo que hace que su combustible sea mucho más eficiente en términos de peso. Los aviones explotan las propiedades del aire para generar sustentación aerodinámica, reduciendo sus necesidades de empuje.

Dadas sus otras hazañas tecnológicas, su gente honestamente podría estar mejor usando motores de combustión y luego haciendo que las plantas de procesamiento recuperen el dióxido de carbono y otros productos de combustión del aire y los procesen de nuevo en combustible. Esto requeriría mucha energía, pero descargaría las necesidades de energía de una plataforma móvil pequeña e ineficiente a una estacionaria grande y eficiente. (En este caso, la gasolina o lo que sea se considera mejor como un tipo de batería). Otra opción sería llevar baterías y tener rotores o compresores accionados eléctricamente, básicamente un cuadricóptero recreativo muy grande.

Como último comentario, tener muchos vehículos personales arrojando xenón u otros gases pesados ​​por todas partes podría no ser tan seguro. El gas más pesado que el aire tenderá a acumularse en lugares bajos y desplazará al oxígeno, lo que puede matar fácilmente a las personas .

Como otros han explicado en detalle, su factor limitante es la cantidad de combustible que puede transportar, ya que hay un límite de cuánto puede comprimir un gas antes de que comience a tener problemas. Un tanque indestructible no ayudará mucho, ya que el gas mismo se condensará en un líquido o comenzará a hacer otras cosas extrañas a presiones lo suficientemente altas. La única forma de hacer que esto sea remotamente práctico es si puede hacer que su vehículo sea lo más eficiente posible en combustible.

Cuando viaje por aire, gastará más combustible luchando contra la gravedad que cualquier otra cosa. Así que no luches contra eso. Una aeronave o un aerostato de algún tipo podría permanecer en el aire sin gastar combustible, por lo que puede dedicar su combustible a bordo a la propulsión. Viajar en la dirección del viento podría ser casi gratuito, aunque no tan rápido.

Para que un vehículo como este sea práctico, necesitaría usar el aire por el que está volando como combustible en lugar de llevar consigo un suministro limitado en tanques. Podría tener motores eléctricos que succionen aire y lo fuercen a través de una boquilla estrecha en la parte trasera del vehículo. No te estás moviendo a velocidades extremadamente altas, pero al menos funciona.

Lo que tienes que darte cuenta es que la energía es$E = \frac{v^2\cdot m}{2}$mientras que el impulso es$p = v\cdot m$.

Cada segundo, la gravedad de la tierra transfiere un impulso de$p = g\cdot m_o\cdot 1s$sobre cualquier objeto de masa$m_o$. Si ese objeto va a permanecer en reposo (flotando en el aire, o tirado en el suelo, realmente no importa mientras no se mueva...), debe deshacerse constantemente de este impulso. El objeto en el suelo lo hace transfiriendo el impulso al suelo, un objeto en el aire debe transferir el impulso al aire.

Tenga en cuenta que el último párrafo no menciona la energía en absoluto . La cifra importante es el impulso, sólo .

Ahora, mira las dos ecuaciones para$E$y$p$. La energía es en realidad$E = \frac{v^2\cdot m}{2} = \frac{vp}{2} = \frac{p^2}{2m}$. Es decir, si usa una masa infinita, no necesita energía en absoluto (ese es el objeto en el suelo, que efectivamente usa toda la tierra para deshacerse del impulso). Cuanto menor sea la cantidad de masa que utilice, más energía necesitará .

Si usa solo su aire almacenado, se encuentra en el peor régimen posible: está desperdiciando gigajulios de energía para nada. Si simplemente duplica la cantidad de aire que acelera impulsando una turbina simple de una sola etapa con su gas comprimido, ¡ya ha duplicado la vida útil de su combustible ! Cuanto más aire exterior aceleres, más durará tu combustible.

Por lo tanto, no importa cuán denso sea su almacenamiento de energía de aire comprimido, sus vehículos siempre aspirarán aire desde arriba y lo soplarán hacia abajo, simplemente porque el combustible durará mucho más. Básicamente, puede suponer que cualquier vehículo aéreo flotante siempre utilizará la mayor parte posible de su superficie superior para aspirar aire. Porque usar solo la mitad del área de superficie significa solo la mitad de la vida útil de su suministro de combustible.

Por cierto, esta es también la razón por la cual los helicópteros necesitan más combustible mientras se ciernen que cuando vuelan a una velocidad moderada : el helicóptero estacionario solo puede interactuar con el aire directamente a su alrededor y por encima de él, que ya ha sido acelerado por su estacionario. El helicóptero volador interactúa constantemente con el aire fresco en reposo y, por lo tanto, distribuye su impulso a más aire. Más aire acelerado$\Rightarrow$aire acelerado a velocidades más bajas$\Rightarrow$menos energía utilizada.

Los aviones llevan esto al extremo: maximizan la cantidad de aire con el que interactúan por segundo volando a 800 km/h y, por lo tanto, minimizan la velocidad descendente resultante del aire que dejan atrás. El combustible que se quema en el motor simplemente hace girar una turbina que usa palas para acelerar la mayor cantidad de aire posible hacia atrás, lo que a su vez mueve el perfil aerodinámico para acelerar la mayor cantidad de aire hacia abajo para ser lo más eficiente posible. Esta doble dirección indirecta es lo que hace que los aviones actuales sean tan eficientes como lo son, permitiéndoles volar media vuelta alrededor de la tierra sin detenerse.

Espero que alguien señale que esto tiene problemas de escala masiva, pero bueno, tienes una energía casi infinita, así que intercambiemos cosas: en lugar de tener un montón de chorros corriendo sobre la superficie tratando de usar aire comprimido, vamos a convertir la superficie básicamente en una mesa de hockey de aire gigante y hacer que los transportes sean relativamente ligeros con velas solares. Los transportes tienen computadoras en red que se conectan al sistema de transporte para indicar a dónde quieren ir, y luego hay una serie de "láseres" en la superficie en puntos dispersos para proporcionar el empuje horizontal necesario (similar a las velas solares propuestas para viajar). dentro del sistema solar)

Tratar con las consecuencias no deseadas de la genialidad de esta configuración se deja como ejercicio para el lector.