Tecnología de puente más ligero que el aire

Imagine un puente muy largo (Puente Visbi, llamado así por el diseñador) a través de un cañón inmenso, en realidad casi un desfiladero ancho y profundo, que se usa en un mundo similar a la Tierra. Mi concepto es que parte del soporte del puente sería una tecnología similar a un globo, más ligera que el aire. Los extremos del puente usarían una configuración de suspensión, con pilares y cables. Hacia el centro, el puente necesitaría apoyo adicional

1. Me pregunto si esto podría ser factible, suponiendo una tecnología de materiales algo más avanzada que la que tenemos actualmente. La gravedad y el clima serían similares a nuestra tierra.

2.¿Cuánto tiempo podría durar un puente así? 1 milla? ¿2 millas? ¿5 millas? Asumir materiales avanzados que son al menos concebibles hoy.

3. ¿Tendría sentido este concepto en oposición al vuelo? En otras palabras, tendría más capacidad para la energía consumida.

4. ¿Existen otras tecnologías que permitirían tramos de puente muy largos?

En este mundo, la tecnología está cerca de lo que tenemos. La civilización en este mundo consume menos energía que la nuestra, no se basa en automóviles y está menos poblada. Descarto tecnología antigravedad o puentes de energía, etc. Este puente no tendría que soportar cargas enormes, principalmente personas en algún tipo de vehículos y carga valiosa/ligera. Asumo disposiciones para cerrar el puente y/o reconfigurar la estructura del puente en condiciones climáticas y de viento desfavorables.

¿Qué sucede en los vientos cruzados? Su estructura sustentada por globos tiene que ser lo suficientemente fuerte para soportar la carga del viento que mueve los globos.
Construir un gran proyecto para transportar tráfico no tiene sentido a menos que se espere un nivel significativo de tráfico. @jamesqf Según la pregunta, estaría cerrado y asegurado.
No conozco tu mundo, pero creo que el "inmenso cañón" podría muy bien conducir a "una gran cantidad de viento", al menos con la suficiente frecuencia como para que un puente LTA no sea la mejor opción...
No soy un experto en dinámica del viento... ¿alguien que sí lo sea podría comentar si el puente no se vería afectado por fuertes corrientes de aire que suben o bajan, además de los vientos cruzados?
@jamesqf Ese es un punto muy válido. Pero aquí hay una solución: ate su globo al suelo del cañón, a la izquierda y a la derecha del puente (como lo ve alguien que camina a través de él). Eso debería hacer una estructura más rígida de "marco A de tensión" o "pirámide de tensión".
Ya hay un puente con un tramo de ~2 km (1¼ millas). Los materiales compuestos están comenzando a usarse en (pequeños) tableros de puentes , lo que reduciría enormemente la carga en los cables de un puente colgante. Si asumió también los cables compuestos, podría alcanzar la distancia deseada sin necesidad de soporte adicional, especialmente si cree en algunas de las exageraciones sobre el potencial del grafeno.
Una solución de la competencia sería simplemente instalar cables pesados ​​(léase: el material más avanzado permitido, tal vez a base de kevlar o nanotubos de carbono) y luego conectar góndolas a los cables, si hay una gran tormenta, etc. luego se pueden quitar las góndolas, dejándolo solo con cables. A modo de comparación, algunas góndolas actuales tienen tramos de más de 3 km entre sus postes de soporte, y siempre que no transporte nada muy pesado, tienen muchas ventajas sobre los puentes.
@steveverrill: atar el puente al suelo del cañón para ayudarlo a soportar fuertes brisas cruzadas simplemente traduce la fuerte fuerza horizontal (los globos grandes significan grandes cargas de viento) en una fuerza vertical que tira del puente hacia abajo a través de las ataduras. Si el puente puede soportar las fuerzas verticales de las ataduras, entonces probablemente no necesite los globos grandes para sostenerlo en primer lugar.
Los materiales finos de @Johnny son más fuertes en tensión que en compresión. Pruébalo en casa. Consigue un globo de helio, átalo al suelo en tres puntos con hilo fino para hacer un trípode. ¡Una estructura autoenderezable perfectamente estable! Ahora quita el globo y mira lo que sucede.
@steveverrill: mi punto es que si el sistema puede resistir las fuerzas de las correas que lo sujetan contra las brisas cruzadas, entonces probablemente pueda resistir la gravedad, por lo que los globos se vuelven innecesarios.
@Johnny, creo que el punto es evitar que se balancee hacia adelante y hacia atrás en lugar de hacerlo más rígido estructuralmente, aunque entonces la pregunta es si se balancea hacia arriba o hacia abajo, ¿es más resistente?
Aquí hay un video no relacionado.

Respuestas (8)

Desde el punto de vista de la ingeniería, un puente LTA es similar a un puente de pontones . Básicamente, tendría una línea continua de globos (o varias líneas, si está dispuesto a pagar más por una mayor redundancia) inflados con el gas de elevación de su elección. Grupos de globos soportarían los segmentos del puente, y cada segmento estaría atado al suelo con una serie de cables de anclaje.

En un clima inusualmente severo (digamos, un huracán que ocurre una vez en un siglo), el puente se puede "aterrizar" separando los segmentos, liberando algo de gas de elevación y usando los cables de sujeción para guiar las piezas hasta el suelo. No harías esto excepto como último recurso, ya que relanzar el puente es casi tanto trabajo como ensamblarlo en primer lugar. El desembarque se puede realizar en menos de un día, ya que cada pieza se puede desembarcar de forma independiente, pero el relanzamiento se debe hacer segmento a segmento, desde los extremos hasta el medio, para que todo quede alineado.

  1. Sí, es factible. Debería evitar construir un puente de este tipo en áreas afectadas por clima severo (donde "grave" depende de la tecnología disponible, por ejemplo, si puede producir grandes láminas de tela Kevlar, puede manejar tormentas mucho peores que si está utilizando cuerdas de seda y cáñamo herméticas al gas).

  2. Al igual que con un puente de pontones, esencialmente no hay límite para la longitud del puente: cada segmento es autosuficiente y autoestabilizador, y la conexión con los segmentos contiguos es solo para mantener la alineación.

  3. Realmente no se puede comparar un puente y un avión. Un puente LTA tiene un alto costo de energía inicial, pero una vez que está en su lugar, el costo de la energía es principalmente el de reemplazar el gas de elevación perdido por fugas o liberaciones deliberadas. Un avión, por otro lado, tiene un alto costo de energía por viaje.

  4. Un puente colgante puede recorrer al menos 2000 metros entre torres; los tramos de aproximación pueden triplicar esto fácilmente. Si está dispuesto a construir una estructura de soporte masiva, un puente de caballete o viaducto puede cruzar una distancia prácticamente ilimitada.

El mayor problema que tengo con esto es que la flotabilidad de un pontón está relacionada con la diferencia de densidad volumétrica entre los materiales. Entonces, para que un pontón lleno de vacío sea tan flotante en el aire como lo es un pontón lleno de aire en el agua, tendría que ser 783 veces más grande. El otro problema es que un pontón en el agua no está en su punto máximo de flotabilidad: a medida que le pones carga, se hunde y aumenta la fuerza vertical, creando así una asíntota estable. Si su globo está en el aire, no hará eso: será [casi] 100% flotante [casi] todo el tiempo, en una asíntota inestable.

Un problema importante con la suspensión de un puente con globos es cómo se soporta la carga de tráfico.

Digamos que su puente está en equilibrio por su propio peso. Cuando agrega los vehículos que cruzan el puente, la cantidad de gas en sus globos no aumentará, por lo tanto, no brindan elevación adicional. Por lo tanto, el peso de los vehículos debe transportarse únicamente por medios convencionales, es decir, doblando el tablero del puente. Con un tramo muy largo, necesitaría un puente muy rígido para no tener una deflexión excesiva.

Tenga en cuenta que este problema no surge de los puentes de estilo pontón (que, como señaló Mark, es probablemente lo más cercano que cualquier puente real llega a su "puente de globo"). Esto se debe a que cuando agrega vehículos sobre los soportes del pontón, la reacción vertical en los soportes aumenta, es decir, aumenta la presión de contacto entre el pontón y el agua.

Lo mejor que puede hacer es ceñirse a los estilos de puente convencionales, pero utilizando materiales avanzados. Los récords actuales para luces de puentes son (aproximadamente) 1 km para atirantado y 2 km para suspensión. La principal restricción para aumentar estos tramos es el peso de los cables: cada cable tiene que soportar su propio peso, así como parte del peso del tablero del puente y del tráfico de vehículos. Los cables de los puentes más largos actuales soportan principalmente su propio peso. Podría solucionar esto haciendo los cables de algo más ligero que el acero, por ejemplo, nanotubos de carbono. Obviamente, esto no se hace actualmente debido al costo excesivo de los nanotubos de carbono cuando se necesitaría una cantidad tan grande.

Buena respuesta, sin embargo, los puentes de pontones se hunden en el agua hasta que desplazan suficiente agua adicional para compensar el peso de los vehículos sobre ellos.
Si hay sustentación más que suficiente de los globos, la tensión en los cables del puente se reducirá esencialmente sin cambios dimensionales. La tensión aumentará a medida que se carga el puente. Puede simular un modelo incluso sin helio usando una polea para el componente de elevación.
El problema de la deflexión es la razón por la que mi puente tiene ataduras que lo anclan al suelo: con un puente descargado, la tensión en los cables proporciona la fuerza de equilibrio para el levantamiento del globo. A medida que aumenta la carga, se reduce la tensión en los cables; siempre que el puente no esté sobrecargado, la desviación debe ser mínima.
El problema más importante es que el segmento de un puente de pontones se sostiene IGUAL en toda su longitud por el agua. Un segmento sostenido por un globo se apoyaría SÓLO en los puntos en los que el cable del globo está conectado a la plataforma. Eso coloca enormes cantidades de fuerzas en puntos pequeños. (Sin embargo, esto se podría remediar si los cables del globo fueran más parecidos a un puente colgante estándar, pero ahora nuevamente estamos agregando mucha masa solo para los soportes de los cables)
@DA. Muchos globos anclados en muchos puntos serían similares a un puente de pontones y significarían que un pequeño número de fallas afectaría solo la capacidad de carga y no la integridad estructural. Esto puede compensar el peso adicional del cable y agregar que cada cable sería más delgado.
@TimB: te has perdido mi punto. Sí, un pontón se desviará hacia abajo bajo la carga del tráfico, pero esto aumenta la reacción debajo de él. Por lo tanto, la carga del tráfico se soporta cerca de donde se encuentra el vehículo, en lugar de ser soportada por la cubierta que se extiende por todo el ancho del río. La desviación de un pontón individual en esta situación es mucho menor que la desviación que obtendría en un tramo sin soporte de 2 km.
@Mark: estoy de acuerdo en que sus amarres de cable resuelven el problema teórico de la elevación excesiva de los globos. Aunque aumentan el peso, lo que aumenta aún más el tamaño requerido del globo. Y si están inclinados hacia los soportes (como un puente atirantado al revés), entonces volverá al problema de los cables para tramos grandes que en su mayoría soportan su propio peso, en lugar del peso de la plataforma del puente y cargas de tráfico.

El aire es increíblemente ligero. Es difícil concebir cualquier material que sea realmente más ligero que el aire y lo suficientemente ligero como para mantener la sustentación bajo carga.

Sin embargo, podría ser posible utilizar globos como dispositivo de elevación. El gas es un tema de cierta controversia. El helio tiene una fuerza de elevación de 1 gramo por litro , que no es mucho. El hidrógeno es aproximadamente un 8% mejor, pero es muy inflamable, por lo que las aeronaves ya no lo usan. Buscar Hindenburg. El metano también se puede usar y no escapa de los globos con tanta facilidad, pero es un gas de elevación mucho peor. Así que vamos con el helio.

Digamos también que estamos usando buen grafeno avanzado para construir este puente; aunque actualmente no está lo suficientemente desarrollado para hacer esto, bien podría ser pronto. El grafeno tiene una masa de 0,77 mg por metro cuadrado , o 21,36 miligramos por metro cúbico.

Estamos construyendo un puente. ¿Cuánto material necesita eso? Suponiendo un lapso de 1 km, un ancho de 10 m y una profundidad promedio de solo 50 cm (que debería ser suficiente para sus necesidades), eso da:

1000 × 10 × 0.5 = 5000  metro 2
5000 × 21.36 = 106800  miligramos
= 106.8  gramos

Por lo tanto, solo para levantar el puente se necesitan 106,8 litros de helio. Necesitará helio adicional equivalente al peso del vehículo en gramos cuando un vehículo cruce (o una persona). Digamos que su vehículo más pesado es de 1 tonelada. Eso es un extra de 1.000.000 de litros de helio...

En resumen, vas a necesitar mucho helio. Es bastante poco práctico.

Desde una perspectiva matemática y lógica este post es terrible. 1) La densidad del grafeno es de aproximadamente 2 g/cm cúbico o 2000 kg/metro cúbico. 2) 1 gramo de elevación por litro de helio, ¿A QUÉ PRESIÓN? El helio en los globos es mucho más denso que el helio en la atmósfera, ¿de qué estás hablando? 3) ¿Por qué asumirías que se necesitaría una profundidad promedio de 50 cm de grafeno? ¿O que el grafeno sería incluso un material de construcción apropiado?
Si tienes grafeno con una densidad de 21 metro gramo / metro 3 ¡Usa eso como tu material de elevación! Es aproximadamente el 2% de la densidad del aire en STP.
@Myles ¿Me puede citar sus recursos? Me gustaría echar un vistazo. Para su segundo punto, la fuerza de elevación del helio es igual a todas las presiones, mientras que en los globos es más concentrado/denso, eso solo significa que puede caber más en un espacio más pequeño, la capacidad de elevación es exactamente la misma.
@ArtOfCode addednanotech.net/tech/graphene_films.php A medida que aumenta la densidad de un gas, la masa de gas/litro aumenta y disminuye la capacidad de elevación. Piénselo de esta manera, un tanque de helio casi vacío pesa mucho menos que uno lleno, a pesar del hecho de que ambos contienen el mismo volumen de helio.
@Myles Mira que mis 0,77 mg/m^2 procedían del IET, así que ahora no sé a quién creer :) Entiendo tu punto sobre el gas, así que en STP o 22,72 gramos por mol
@ArtOfCode .77 mg/m^2 es una medida de masa por área, no una medida de masa por volumen. A menos que sepa el grosor de una hoja de grafeno, esto no se traduce en densidad.
También podría optar por una aspiradora en una estructura rígida que tenga una densidad menor que el aire.

Hay un gran artículo publicado por el MIT:

http://cba.mit.edu/docs/theses/15.09.Carney.pdf

En él, los autores describen la aplicación factible de redes celulares livianas hechas de una matriz de puntales similares a cristales:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ciertamente no es "más ligero que el aire", pero hay mucho espacio vacío y se puede lograr de manera realista.

ingrese la descripción de la imagen aquí

El puente podría ser lo más largo posible usando un ensamblador estilo pórtico alimentado por energía solar, así:

https://www.youtube.com/watch?v=7MssR1zmlpU

O usando los robots bípedos que se muestran aquí:

https://www.youtube.com/watch?v=ytRJHtg_jJw&t=1m9s

Las celdas (¿bipirámides triangulares?), presumiblemente, tendrían que fabricarse a granel antes de su uso en el ensamblaje.

¡Bienvenidos a Worldbuilding! +1 Para un hallazgo tan bueno, aunque es posible que desee elaborar detalles como qué tan factible es para un puente (sería útil citar la tesis) y cuánto tiempo podría durar
Los robots también podrían estar equipados con un aparato de soldadura similar a KUKA.

Como han mencionado otros, su idea es similar a los puentes flotantes. Seattle tiene algunos de los más grandes:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Se mantienen estables a través de cables de anclaje en ángulo en el fondo del mar (o del lago).

Entonces, en un nivel muy básico, uno podría tratar un puente de aire flotante de la misma manera que un puente de agua flotante al tener cables de anclaje conectados a la superficie debajo.

Sin embargo, hay algunas diferencias significativas:

  • un puente flotante tiene algún 'giro' lateral debido a las mareas y las olas y demás. Un puente de aire flotante tendría lo mismo pero a una escala mucho mayor dado que la resistencia al aire sería mucho menor (piense en la escena del puente de cuerda en Temple of Doom). Su sistema de anclaje tendría que ser bastante complejo para evitar que la plataforma del puente se tuerza en el aire.
  • un puente de agua flotante se apoya igualmente a lo largo de toda su longitud. Un puente aéreo flotante, utilizando globos, solo se apoyaría en el punto de conexión entre el globo y la cubierta. Esto significaría que la estructura del puente tendría que reforzarse para manejar las cargas puntuales mucho más que un puente de agua flotante. (Esto quizás podría remediarse haciendo que los globos reemplacen las torres principales de un puente colgante estándar... esencialmente tendría un puente colgante sostenido por globos en lugar de torres).

No soy ingeniero, pero quizás algunas de estas preocupaciones podrían manejarse a través de una receta diferente para la atmósfera. Quizás la atmósfera en este planeta es mucho más densa que en la Tierra, lo que hace que estas ideas sean un poco más prácticas.

El punto de conexión entre el globo y la cubierta va a ser muy similar al que hay entre el cable de un puente colgante y la cubierta, ahí no hay problema.

La excelente respuesta de Mark cubre la mayor parte de esto, aunque hay una última cosa que se perdió.

Los gases de elevación se escapan de los globos, por ejemplo los globos de helio a los pocos días de una fiesta ya se han encogido.

No importa lo que intente, gradualmente tendrá un escape de gas de elevación de los pontones, por lo que parte del programa de servicio para el puente será que las personas pasen y los rellenen. La viabilidad del puente dependerá en gran medida de la disponibilidad del gas de elevación y de la rapidez (o lentitud) con la que se produzca la fuga.

Quizás si se usara hidrógeno para el gas de elevación, la humedad podría capturarse del aire y electrolizarse usando energía solar/eólica para mantenerla llena. La misma fuente de energía podría usarse para manejar algunas condiciones climáticas.
@ChrisH hay una razón importante por la que el hidrógeno ya no se usa en los dirigibles, y me imagino que esto evitaría gases altamente reactivos por la misma razón: ¡se quema!
@ user2813274, el OP dijo que el clima y la gravedad eran similares. No dijeron nada sobre la actitud ante el riesgo. El hidrógeno no se quema espontáneamente incluso si se escapa. El suministro de hidrógeno es esencialmente ilimitado. El helio es bastante escaso.
Tenga en cuenta, además, que el helio es específicamente el gas por encima de todos los demás que es mejor para escapar de sellos excelentes, por lo que el hidrógeno se filtraría mucho más lentamente.

¿Qué hay de las cometas?

Necesitaría cuerdas de sujeción horizontales para contrarrestar el componente lateral de la fuerza y ​​​​el control por computadora de los ángulos de las cometas en relación con el viento; tal vez podría asumir un viento catabático constante guiado por el cañón. El viento es más fuerte a mayor altitud. Si el viento fuera lo suficientemente constante y fuerte, podría usar el puente como un cuerpo de elevación.

Esta es una solución creativa, entonces +1, pero parece ser bastante inviable en la Tierra. Sin embargo, esta será una forma interesante de mantener un puente en un planeta con vientos constantes.
@MarchHo Estoy seguro de que recuerdo haber leído sobre vientos catabáticos casi permanentes en Marte, pero no puedo encontrar una referencia científica real. Aquí hay una lectura interesante sobre algunos proyectos que me ayudaron a darme una idea .

Como se discutió en los comentarios y otras respuestas, hay varios problemas:

-Agregar globos flotantes a un puente reduciría la carga de peso, no haría nada para reducir la carga del viento (de hecho, lo empeoraría).

-El gas del elevador se filtraría con el tiempo.

aquí está mi solución

¡El teleférico / telesilla de flotabilidad neutra!

Esto es básicamente como un teleférico/telesquí normal, excepto que el peso de los coches/sillas se reduce mediante un globo flotante. Esto permite que los tramos sean mucho más grandes. Durante vientos fuertes, todos los automóviles deben ser remolcados a las estaciones base para evitar daños.

Un problema es asegurarse de que los vagones tengan una flotabilidad neutra antes de soltarlos, de lo contrario, un vagón descargado tiraría del cable tanto como uno sobrecargado tiraría hacia abajo. Variar la cantidad de gas de elevación voluminoso parece inconveniente, por lo que probablemente se haría con pesos de lastre.

Finalmente, si se necesitara un soporte intermedio en la mitad del tramo, como se menciona en mis comentarios sobre la pregunta, podría hacer un marco en A con 2 cables atados al piso del cañón a la izquierda y a la derecha de la dirección de viaje, sostenido en tensión por un globo. Es poco probable pero concebible que esto sea más económico que una torre de acero en algunos mundos (es decir, aquellos con una atmósfera muy densa).

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