martes, 16 de noviembre de 2010

Motores nucleares de aviacion

La decada de los cincuentas fue epoca de la fiebre nuclear, todo era "Atomico", la bomba habia cambiado al mundo y empezaba a cernirse la sombra de la guerra fria, las aplicaciones de la Energia Nuclear seguian siendo buscadas, pronto aparecerian las Plantas Nucleares, los poderosos Reactores Navales capaces de impulsar un portaaviones o los incansables reactores de submarinos que cambiarian la guerra en el mar.

Pero tambien habia muy malas ideas, como la de el mortero o la granada de mano nuclear, como una idea tan descabellada pudiera llegar a la etapa de diseño, es un misterio, sin embargo hubo otras ideas.

El avion de propulsion nuclear fue uno de ellos, la idea sonaba bien, un motor que permitiera a un avion volar por siempre, en teoria la autonomia seria infinita, los cazas podrian penetrar hasta el rincon mas profundo del territorio enemigo, en busca de los aviones contrarios o escoltando los bombarderos propios, ademas los reactores pueden funcionar a maxima potencia todo el tiempo que uno quiera, podrian superar en velocidad a cualquier avion contrario que osara despegar.

Pero la teoria dice una cosa y la realidad otra, los reactores de los cincuentas eran pesados, ineficaces y muy sucios, en su momento fue imposible miniaturizarlos, solo el peso del agua para refrigerar era mayor que el peso completo de cualquier caza en fabricacion o diseño en el momento, asi que los diseñadores se concentraron en los grandes bombarderos, los motores funcionaban bajo la teoria del calentamiento indirecto, el material radioactivo calentaria algo, (usalmente agua), cuyo vapor se usaria para propulsar otra cosa, en los papeles se intento todo, helices, turbohelices, helices entubadas, jets, y finalmente como cohetes, pero la maxima potencia de un minireactor no era suficiente como para impulsar su propio peso, no dijeramos ya el resto del aeronave.

A esto habia que añadir que un reactor libera una gran cantidad de radiacion gama, que solo puede ser detenida usando materiales densos y pesados, un reactor a plena potencia no podia tener un envoltorio ligero y delgado, hay una muy buena razon para que los reactores deban de estar en lugares amplios y grandes, para frenar la radiacion hace falta una gruesa, muy gruesa y pesada barrera, exactamente lo contrario a lo que marca el diseño de un avion.

De todas formas se siguio adelante y se crearon un par de prototipos, no eran eficientes y basicamente se usaron como Technolgy testers, (termino empleado para demostrar que una tecnologia es viable y continuar su desarrollo), se iniciaron los preparativos para montarlos en un B-36, el famoso Peacemaker, especialmente modificado, llamado NB-36H, pero los calculos no cuadraban, cuando se vio la esfera de radiacion gamma que se generaria, era obvio que los tripulantes estarian perfectamente metidos en el flujo de radiacion, era necesario protegerlos o no llegarian vivos ni a la frontera, se alejaron los motores del centro de gravedad, pero ni aun poniendolos en las puntas de las alas se generaria suficiente distancia, la siguiente idea fue colocar toda la tripulacion en una esfera blindada y manipular el avion y su armamento a distancia, nuevos problemas, mas peso y la imposibilidad de manejar el avion a control remoto.

El bombardero aun estaba en la fase de diseño, cuando llego el momento de probarlo teoricamente en combate, un grupo de pilotos veteranos lo vio, y de plano lo rechazo, un avion de combate debe de penetrar en espacio aereo enemigo, usualmente enfrentando las defensas que le haran daños, un solo proyectil perfortante en los reactores o en la cabina blindada y el avion estaria perdido, y si era derribado aun en nuestro territorio crearia una zona de destruccion tan grande como el reactor y su contenido, las perdidas operativas serian mas graves para nosotros que un ataque enemigo, un avion estrellandose por accidente al final de la pista destruiria efectivamente un aeropuerto, por donde se le viera, la idea cada dia era menos sensata, finalmente despues de 7 billones de dolares, se llego a la conclusion de que el proyecto era inviable, se cancelo el desarrollo, el bombardero fue revertido a su configuracion original, los reactores fueron enviados al museo y cada quien se fue a su casa.

Pero los proyectos se niegan a morir, cada cierto tiempo se vuelve a presentar la misma idea, cuando se empezo a hablar del proyecto Aurora se menciono la idea de usar reactores nucleares, aislados con superficies de ceramica, parecia que nadie se acordaba de los inconvenientes de los cincuentas; cuando se volvio a considerar los propulsores para las naves espaciales, otra vez aparecio el fantasma, bueno, hay que aceptar que las condiciones son diferentes, mas que aviones, los proyectos de naves espaciales se ven mas como submarinos o portaaviones, claro que si logran encontrar la forma de encontrar agua en abundancia en el sistema solar y de poder construir una nave espacial con el tamaño de un portaaviones y lanzarla al espacio, entonces seria mas factible.

miércoles, 4 de agosto de 2010

Los Secretos del vuelo VTOL


El Despegue y Aterrizaje en Vertical VTOL VErtial Take Off and Landing), habia sido un sueño en la mente de los diseñadores desde el nacimiento de la aviacion, sin embargo, no habia la potencia suficiente para lograrlo, porque este asunto es de pura fuerza bruta, se requiere de una Fuerza Ascensional Fa, que venza el Peso, esto es:

Fa > Mg

A diferencia de la sutil Fuerza de Sustentacion dependiente de la Velocidad, que permite a los aviones volar, el despegue vertical es simplemente una cuestion de potencia, imponiendo la necesidad de motores potentes, esto no fue posible hasta la decada de los cuarentas, cuando lo poderosos motores de estrella desarrollados en la guerra, junto a los nuevos fuselajes de aluminio o de plexiglas, permitieron tener finalmente una relacion Peso Potencia positiva, los primeros aparatos eran no mas que simples juguetes.

El helicoptero se basa en el principio de la Torca, el movimiento giratorio de las aspas, con τ la magnitud de la Torca, r es la mitad de la magnitud del rotor, F es la magnitud de la Fuerza, y θ el angulo entre la fuerza y el rotor

\tau = rF\sin \theta\,\!

Asi entre mas velocidad tengan las aspas, mas torca generan y el helicoptero sube, por desgracia, los rotores girando ofrecen una resistencia brutal al aire, llegando a velocidades supersonicas en las puntas, lo que provoca enormes ondas de choque que impiden a un helicoptero deslizarse suavemente por el aire, limitando su velocidad. Otro inconveniente es que al girar en una direccion, la Torca jala el resto del cuerpo del helicoptero, por lo que debe de ser compensada con algo que equilibre las fuerzas de rotacion laterales, se han intentando diferentes metodos, aspas contrarotativas, en tandem, rotor de cola y finalmente expulsores de flujo en la cola, que pueden graduarse a diferentes velocidades. Al ser tan lento, ha quedado relegado a labores tacticas en el campo de batalla, siendo superado en casi todo por el avion convencional.

Si bien desde la Segunda Guerra Mundial se han hecho intentos por hacer despegar un avion en vertical, los proyectos han sido variados, el Pogo de la USN y el Coleoptero de la Luftwafe eran aviones mas o menos convencionales, con potentes motores de helice en el morro, que en teoria debian despegar verticalmente, ninguno de ellos funciono, como tampoco funciono el proyecto del Natter, un avion cohete lanzado por medio de un riel muy parecido a los que ahora se usan en los misiles SAM, con aceleraciones imposibles de soportar por el ser humano.

En los sesentas finalmente aparecio una idea genial, el Harrier:

BAe HARRIER

El Harrier (la vaca) como lo conocen sus pilotos, es un avion revolucionario, para despegar y aterrizar en vertical usa la potencia de un motor Olympus, que en general no es muy diferente a cualquier otro motor a reaccion, por lo menos en comportamiento, inyectando combustible en un flujo de aire y prendiendolo, con lo que se consigue un considerable empuje, lo que varia radicalmente son las toberas, en vez de un solo conducto fijo, utiliza cuatro toberas orientables, acopladas, para despegar en vertical, el impulso vectorial se dirige hacia abajo, y por la tercera de Newton, el avion se eleva, cuando ha alcanzado cierta altura, las toberas giran suavemente hacia atras y el impulso diferencial lo lleva a obtener mas sustentacion y finalmente volar convencionalmente, para lo cual las superficies de sustentacion ya realizan las funciones convencionales para las cuales fueron pensadas.

Casi al inicio se descubrio que el Harrier podia realizar maniobras sorprendentes, en vuelo horizontal, se desacoplan las toberas, y aplicandoles potencias diferentes, el avion puede responder de forma no convencional, colgarse de un ala, frenar en el aire, esconderse tras una colina y mucho mas, y en modelos posteriores, ir de reversa, con toberas orientables a 360°, de hecho es el primer aparato con la capacidad de girar sus toberas, una idea que se ha adoptado a los cazas de ultima generacion.

martes, 1 de junio de 2010

La Fisica de un Jarrito de Barro

Die erste Ansprache, Physikbesprechen aus die Kaffetasse. Nuestra primera platica, la Fisica de la Taza de cafe, una modesta acompañante de los desayunos de quienes crecimos en Mexico, ha sido la taza de barro del cafe, tipicamente cafe y con adornos sencillos, ultimamente satanizada por su contenido de Plomo, es sin embargo un objeto fascinante de estudio, que por ser tan comun ha pasado desapercibida.

Para empezar, es un objeto de alta tecnologia, muy superior a las modernas tazas de porcelana, los vasos de unicel e incluso a los termos, cuyos fabricantes deberian de imitar sus ventajas:

MATERIAL

La ceramica es un material aislante, de hecho es uno de los mejores aislantes que existen, el mismisimo Transbordador Espacial usa ese tipo de aislante en la panza para protegerlo de los aterrizajes, ademas, con los procedimientos correctos de cocimiento, se atrapan burbujas de aire, que le dan esa consistencia porosa tan parecida al unicel, las burbujas de aire, ayudan a conservar la temperatura y al mismo tiempo le dan una ligereza que permite transportarla con comodidad, el asa, al ser del mismo material, permite sujetarla sin quemarnos las manos, como suele suceder con los vasos de papel que estan de moda en los cafes. Otra ventaja del material es que al vidriarse, se crea una capa protectora que impide la contaminacion del recipiente con olores o sabores desagradables, ademas de que el barro se consigue en todas partes, es barato, reciclable y facil de manejar.

DISEÑO

A todos aquellos familiarizados con la dinamica de fluidos, le parecera obvio que un cafe caliente debe de permanecer asi por el mayor tiempo posible, la Ley de enfriamento de Newton indica que:

 T(t) = T_{\mathrm{m}} + (T_{\mathrm{0}} - T_{\mathrm{m}}) \ e^{-r t}.

El enfriamento es exponencial, cuando dos cuerpos estan en contacto, por lo tanto es ideal que el area de contacto sea minima, y esto lo consigue el jarrito cafe con una elegancia extraordinaria, el cuello se estrecha sobre el cuerpo del recipiente, minimizando el area de contacto, mientras que la boca vuelve a ancharse, para que el liquido que tomaremos este en contacto con un area mayor de atmosfera, enfriandose mas, que el que esta contenido en el cuerpo.


Ahora bien hablando de calor transferido, este lo hace por medio de la Conduccion, que en un material adiabatico como el barro es muy poca, ademas por Conveccion, que es proporcional al tamaño del cuello, entre mas pequeño este, menor Conveccion, y finalmente la Radiacion, que es proporcional al area de contacto entre el medio caliente y la atmosfera, y como ustedes lo veran esa hermosa forma semiesferica del cuerpo del jarrito es el area minima, de acuerdo con la vieja ecuacion:

dQ/dt = α S(T-Ta).

Donde Alpha es el coeficiente de Intercambio de Calor y S el area del cuerpo (ambos dependientes de la geometria del cuerpo)

Ahora bien, dependiendo de donde se situe el liquido, el area de contacto cambia, no se si nuestros antepasados lo pensaron asi, pero si se sirve un atole en un jarro asi, las condiciones cambian, si se sirve justo en el cuello, la nata (si antes los atoles hacian nata), servia como aislante adicional, en cambio si se servia bajo el cuello, el enfriamento de todo el liquido era mas rapido, mientras que si se sirve sobre el cuello, solo se enfria la parte contenida en el cono trunco que es la parte superior de la vasija. Notese en cambio el diseño defectuoso de las tazas convencionales, con un cuerpo cilindrico, que expone una gran frontera, o bien esas tazas europeas que parecen conos invertidos, pareciera que las pensaron para enfriarse rapidamente.

Impresionante en verdad, la cantidad de ideas que tiene un modesto jarro de cafe, y eso que no he hablado de la Teoria de Sopear el pan y de la Termodinamica del Chocolate caliente, cosa que tratare en cuanto logre conseguir uno de esos deliciosos panes de Zacatlan, con azucar rosa simulando la sangre del sacrificado.

CONCLUSION

Voy a tomar de hoy en adelante mi cafe en el recipiente mas moderno que hay, un diseño de hace algunos siglos, pero tan bien pensado que sigue hoy con nosotros, el Jarrito de Barro..

Autor: Sergio Antonio Tellez Morales

BIENVENIDOS A MI BLOG

Hola a todos, bienvenidos a mi blog, dedicado a platicar de Fisica, no es un sitio de enseñanza, ni pretendo hacer divulgacion cientifica, es un simple lugar para platicar de lo que mas amo de la vida, de expresar mis puntos de vista y mis observaciones, de ver fenomenos y de revisar un poco de High Tech, en fin, su amigo Sergio Antonio Tellez Morales, les da la bienvenida