¿Cómo navegar a favor del viento más rápido que el viento?

Suena contradictorio. El dispositivo real usaba engranajes conectados a una turbina eólica. Aunque la turbina se movía más rápido que el viento, el empuje (IIRC) era tal que ralentizaba el campo de viento. Entonces, la energía se extraía del campo de viento para hacer girar las ruedas a través de la relación de transmisión correcta. En cualquier caso, se extrae energía del campo de viento, por lo que no se violan las leyes de la física. Viajar en ángulo con el viento es más fácil de visualizar. De hecho, las palas de las turbinas eólicas se desplazan en ángulo recto con el viento a múltiplos de la velocidad del viento. Pero eso es diferente. Este fue un dispositivo realmente inteligente y, a menos que se muestre cómo funciona (no recuerdo los detalles), la mayoría de los físicos piensan "de ninguna manera". Sospecho que podría tener que ser empujado a más rápido que la velocidad del viento para que funcione. Sin ruedas unidas a la tierra firme no funcionaría,

Otra explicación.

Esto también se ha explicado en términos de una rueda en una cinta de correr, si se considera que el aire es relativamente denso y rígido.

Por supuesto, para que esto funcione con aire real, parte del aire será empujado hacia atrás, y dado que la parte superior de la rueda se desplaza hacia adelante a una velocidad relativamente alta, la resistencia del aire debe minimizarse aerodinámicamente, etc. Eso es por qué estas cosas no funcionan si se hacen casualmente.

Pero básicamente es una simple cuestión de apalancamiento y de explotar la diferencia de velocidad entre la superficie y el aire.

Y otra explicación más. Piensa en el viento como algo que empuja y piensa en la superficie de la hélice como una cuña deslizante.

A medida que el viento empuja esa superficie hacia adelante una cierta distancia, la cuña misma avanza una distancia mayor.

Y otra explicación más, buscando una imagen intuitiva súper simple de lo que está pasando. Aquí hay un catamarán en un alcance amplio:

Lo que lo hace funcionar es el efecto de compresión entre el agua y el viento sobre el triángulo formado por la quilla y la vela. No hay límite en la velocidad de viaje. Cuanto más estrecho es el triángulo, más rápido puede ir, limitado solo por la resistencia. Además, la dirección de desplazamiento no necesita estar en ángulo recto con el viento, siempre que haya componentes de la fuerza del viento y la fuerza del agua actuando para apretar la cuña.

Ahora suponga que la superficie del agua es en realidad un cilindro orientado a favor del viento, y el bote navega alrededor de él. Luego, la vela se parece más a una aspa de ventilador (como en el automóvil Blackbird), pero funciona igual.

Aquí está la explicación más simple que se me ocurre.

De hecho, la hélice no funciona como un molino de viento que impulsa las ruedas, sino como un ventilador impulsado por las ruedas.

Lo que muestra el diagrama:

• El viento y el ventilador colaboran para empujar el auto hacia adelante. Cuando está en reposo, solo el viento empuja el coche. Pero tan pronto como la hélice gira, aumenta el empuje.
• Empujar el coche hace que la rueda gire.
• Girar las ruedas impulsa la hélice, lo que ayuda a empujar el automóvil.

Lo que hay que entender es que la acción del viento y la hélice contribuyen a crear el empuje en el coche. El viento mueve el aire hacia adelante, lo que facilita que la hélice mueva el automóvil. Por lo tanto, el empuje del automóvil proporciona más energía a las ruedas que la energía requerida por la hélice para hacer su parte.

Si no hubiera viento, suponiendo una eficiencia del 100%, la energía requerida para empujar el automóvil sería igual a la energía que se puede capturar de las ruedas. Eso sería un móvil perpetuo. Pero como el viento aporta parte de la energía que empuja al coche, se necesita menos energía de la hélice.

En resumen:

• Tanto el viento como la hélice proporcionan energía para empujar el automóvil.
• La potencia que empuja el automóvil es capturada por las ruedas y, a su vez, impulsa la hélice.
• La potencia que llega a la hélice, incluso con fricción y pérdidas, es suficiente para impulsar la hélice.

El efecto representado por las flechas de viento en realidad ocurre en la superficie de las palas de la hélice. La hélice empuja hacia atrás contra el aire que ya se está moviendo hacia adelante debido al viento. Imagina estas 2 flechas como un resorte que se comprime por ambos lados y genera una fuerza sobre la hélice.

Créditos: La imagen es de un video de Veritasium.
https://www.youtube.com/watch?v=yCsgoLc_fzI .
Las flechas fueron añadidas por mí.

Esto surgió recientemente en el intercambio de pila de Skeptics.

Estaba intrigado, así que le di vueltas hasta que creo que entendí cómo funcionaba, y puse la explicación aquí .

Estaba un poco entusiasmado y me golpearon allí por referencias insuficientes. Así es la vida. Aun así, es una ingeniosa técnica contraria a la intuición.

EDITAR: Aquí hay otro pequeño diagrama que ilustra la geometría.

En la parte inferior hay una rueda en contacto con el suelo, y está unida por una cadena o algo a una superficie contra la que empuja un empujador, que representa el viento. La posición inicial se muestra en negro y la posición final se muestra en gris. La superficie contra la que se empuja tiene un ángulo, o relación de inclinación, que varía de 0 para absolutamente vertical a 1 para 45 grados. A medida que el vehículo avanza 1 unidad de distancia, la superficie de empuje se eleva verticalmente 1 unidad, por lo que sigue una trayectoria de 45 grados hacia arriba y hacia la derecha. Dependiendo del paso de la superficie de empuje, el empujador se mueve hacia adelante desde 1 unidad hasta 0 unidades. Así que la relación de paso determina la relación de velocidad entre las ruedas y el empujador, como si fuera una transmisión.

Entonces, por ejemplo, si la relación de paso fuera 2/3, la relación de la distancia recorrida entre las ruedas y el empujador sería 3. Por supuesto, obtener relaciones de velocidad más altas depende de cosas como la fricción, la eficiencia, etc.

EDICIÓN ADICIONAL: Posiblemente esta imagen lo ilustre mejor:

Hay una superficie aerodinámica que sigue una trayectoria helicoidal porque está engranada con las ruedas. Tiene un ángulo de paso y, por lo tanto, un ángulo de ataque con respecto a la trayectoria helicoidal. En un tiempo dt dado , la superficie aerodinámica recorre una distancia dX en la dirección X. En esa misma cantidad de tiempo, una parcela de aire se desvía una distancia dx en la dirección X. Hay una razón dx/dX y su inversa dX/dx . Por lo tanto, el ángulo de ataque determina si el viento impulsa el vehículo hacia adelante o hacia atrás, en cualquier "relación de transmisión", o no lo hace en absoluto.

Las ruedas utilizan el frenado regenerativo y accionan una hélice/turbina para proporcionar empuje y no al revés.

En un velero típico u otra embarcación impulsada por el viento, el viento proporciona empuje y la resistencia proporcionada por el mecanismo de transporte (agua o ruedas) generalmente se minimiza.

Sin embargo, en este escenario, las ruedas tienen un poco de frenado regenerativo aplicado y la energía recolectada se usa para impulsar lo que es efectivamente un ventilador orientado hacia atrás.

Sin encender el ventilador, la velocidad del vehículo alcanzaría su punto máximo un poco por debajo de la velocidad del viento, cuando el empuje de la hélice estacionaria igualara el arrastre de las ruedas. Agregar el frenado regenerativo aumentaría la fuerza de frenado, pero esto está más que compensado por el aumento en el empuje de la hélice. A través del engranaje podemos aplicar las proporciones que queramos, pero tenemos que gastar menos energía de la que generamos.

Potencia disponible

Potencia de la hélice

Las hélices son complicadas, pero como primera (muy mala) aproximación podríamos usar la misma fórmula

Pero aquí tenemos que usar la velocidad de la hélice relativa al viento:

Dado que el viento sopla hacia adelante, usaremos menos energía de la que generamos si aplicamos suficiente empuje para equilibrar la fuerza de frenado, lo que significa que tendremos energía extra para aplicar más empuje y acelerar.

Una mejor aproximación de la relación empuje-potencia-velocidad del viento por venir...

La rueda con cazoletas aerodinámicas tiene sentido; el coche con el ventilador de conducción no lo hace. Si el concepto de ruedas que impulsan un ventilador realmente funcionara, ¡podría durar para siempre en el aire quieto después de un arranque forzado!

Creo que las explicaciones son excesivamente complicadas: quieren cubrir la dinámica de interacción con el viento . A continuación, vuelvo a plantear la pregunta para que la geometría particular de la hélice no importe, mientras que los principales bloqueos mentales siguen siendo los mismos. (Creo que es mucho más fácil combatir estos bloqueos mentales con un ejemplo más sencillo…)

Paso 1: considere un teleférico. Hay un cable que avanza debajo del automóvil. Agarrando este cable se puede hacer que el coche avance. (Así que reemplazamos el viento por un cable aquí).

Paso 2: considere una bicicleta de 3 ruedas en lugar de un teleférico, con la rueda delantera (=central) en una cinta transportadora y las dos ruedas traseras fuera de la cinta. Ahora imagina el cinturón moviéndose hacia adelante a 10 km/h. “Queremos” avanzar más rápido que el cinturón.

En la medida en que todas las ruedas giren libremente, la bicicleta puede moverse hacia adelante o hacia atrás con una velocidad arbitraria (sujeta a fricción). Sin embargo, cuando la rueda delantera se atasca, la bicicleta se ve obligada a avanzar, a una velocidad de 10 km/h (menos debido a la fricción).

Paso 3: conecta la rueda delantera a las ruedas traseras con una cadena. Elija la relación de transmisión para que las ruedas traseras giren el doble de rápido que la rueda delantera.

Ahora la bicicleta se ve obligada a moverse el doble de rápido en relación con el suelo en comparación con su velocidad en relación con el cinturón . La solución: se mueve a 10 km/h con respecto a la cinta ya 20 km/h con respecto al suelo.

(Debido a la fricción, la velocidad real puede ser un poco menor).

La razón está en el mecanismo de la fuerza que impulsa el velero. El mecanismo no es la presión que el viento ejerce sobre la vela, sino la sustentación que crea el flujo del viento alrededor de la vela. Entonces, es el principio de Bernoulli el que impulsa los veleros.

editar: Lo siento, no me di cuenta de que dijiste a favor del viento...