O túnel climático de Viena permite que os engenheiros exponham as cobaias a temperaturas extremas. É um dos únicos túneis do mundo que podem acomodar vagões de tamanho normal. Cortesia da RTA A humanidade sempre invejou os pássaros. Podemos passar a parte dos comedores de minhoca, mas seu domínio do vôo ajudou a despertar nossos anseios de voar até os céus. Em vários graus, as pessoas realizaram o sonho de voar. Mas 727s, mísseis, ônibus espaciais, carros de corrida ultrarrápidos, lanchas rápidas, bicicletas de corrida e até mesmo tipos de chips de computador poderiam nunca ter sido realizados se não fosse por um desenvolvimento tecnológico relacionado - o túnel de vento.
Túneis de vento são usados por engenheiros para testar a aerodinâmica de muitos objetos, de asas de jato a pára-brisas de carros. Aerodinâmica como ciência estuda o fluxo de ar ou gases ao redor de um objeto em movimento. Com uma melhor compreensão da forma como o ar se move ao redor (ou através) dos objetos, os fabricantes podem conceber e criar mais rapidamente, mais seguro, produtos mais confiáveis e eficientes de todos os tipos.
De balançar, brisas instáveis a explosões com força de furacão, O vento da Mãe Terra é uma condição notoriamente instável, e assim, praticamente inútil para testes de aerodinâmica. Túneis de vento, por outro lado, fornecer um ambiente controlado para este tipo de teste.
Os túneis de vento são simplesmente tubos ocos; numa extremidade, eles têm ventiladores poderosos que criam um fluxo de ar dentro do túnel. Alguns túneis são do tamanho de um desktop e bons para testar apenas objetos muito pequenos. Outros túneis são estruturas enormes nas quais os engenheiros testam aeronaves e carros em tamanho real. Embora os materiais de teste (geralmente) permaneçam estacionários, o rápido fluxo de ar dentro do túnel faz com que pareça que os objetos estão se movendo.
Tipicamente, existem sensores e instrumentos dentro de túneis de vento que fornecem aos cientistas dados concretos sobre a interação de um objeto com o vento. E frequentemente, há janelas que permitem que esses mesmos cientistas observem os experimentos visualmente. Com esses dados e observações, engenheiros lutam com variáveis da aerodinâmica, como pressão, velocidade, Temperatura e densidade. Eles medem a sustentação, arrastar, ondas de choque e outras condições que afetam aviões e outras engenhocas que se movem com o vento. Além disso, esses túneis podem ajudar os engenheiros a descobrir como o vento interage com objetos estacionários, como edifícios e pontes, e encontrar maneiras de torná-los mais fortes e seguros.
Resumidamente, muitas de nossas maravilhas modernas são mais avançadas graças aos túneis de vento. Mas foi o sonho de voar que deu primeiro fôlego a essas máquinas arejadas. Próximo, você lerá como os túneis de vento entraram em cena e exatamente como eles funcionam. Segure seu chapéu com os dois punhos primeiro, no entanto, porque este é um assunto que pode surpreendê-lo.
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Os primeiros designs de avião e planador tinham muitas características de pássaros. Os túneis de vento provaram que muitas daquelas ideias eram bastante complicadas. Arquivo Stringer / Hulton / Imagens Getty Na esperança de levar os humanos aos céus, os primeiros engenheiros de vôo tentaram seguir o exemplo dos pássaros. Leonardo da Vinci, por exemplo, esboçou um assim chamado "ornitóptero" em 1485. No entanto, nossos amigos alados se mostraram menos do que úteis quando se tratou de revelar os segredos do vôo. Numerosos inventores fabricaram máquinas inspiradas em pássaros, apenas para vê-los cair desamparadamente na terra.
Ficou claro que, para os humanos voarem, eles precisavam de um melhor entendimento da interação entre as asas e os ventos. Então, esses novatos caçadores de voo foram em busca de topos de colinas, vales e cavernas com poderosos, ventos um tanto previsíveis. Mas os ventos naturais não forneciam o fluxo constante que poderia oferecer um feedback útil sobre o projeto - ventos artificiais eram necessários.
Entre nos braços giratórios. Em 1746, Benjamin Robins, um matemático e cientista inglês, anexou um braço horizontal a um poste vertical, que ele girou, enviando o braço girando em um círculo. No final do braço, ele fixou uma variedade de objetos e os sujeitou às forças de sua centrífuga caseira. Seus testes confirmaram imediatamente que a forma das coisas tinha um efeito tremendo na resistência do ar (também conhecido como arrastar, um elemento de força aerodinâmica).
Outros experimentadores, como Sir George Cayley, logo construiu braços giratórios. Cayley, em particular, testado aerofólio formas, que se parecia muito com uma seção transversal de uma asa de avião, para investigar os princípios do arrasto e elevar . A sustentação é um elemento de força que se move perpendicularmente à direção do movimento de um objeto.
O braço giratório teve um efeito colateral sério, Contudo, na medida em que cortava o ar enquanto girava, basicamente criando uma turbulência terrível que afetou enormemente todos os resultados e observações. Mas o braço resultou em uma descoberta monumental:os engenheiros começaram a perceber que, ao impulsionar rapidamente um objeto pelo ar, eles poderiam desenvolver sustentação. Isso significava que não era necessário construir asas batendo para voar. Em vez de, os humanos precisavam de energia suficiente e do tipo certo de construção de asas. Os cientistas precisavam de melhores ferramentas investigativas para resolver essas questões importantes. Os túneis de vento foram a resposta.
Na próxima página, você descobrirá como braços giratórios evoluíram para túneis de vento - e você verá como esses túneis foram fundamentais para uma das maiores conquistas tecnológicas da história da humanidade.
O túnel de vento que os irmãos Wright construíram ajudou a mudar o curso da história da tecnologia humana. Arquivo Stringer / Hulton / Imagens Getty Porque braços girando cortaram o ar e criaram uma esteira que invalidou muitos experimentos, cientistas precisavam de mais calma, ventos artificiais. Frank H. Wenham, um inglês ativo na Sociedade Aeronáutica da Grã-Bretanha, convenceu a organização a ajudar a financiar a construção do primeiro túnel de vento, que estreou em 1871.
O túnel de Wenham tinha 3,7 metros de comprimento e 45,7 centímetros quadrados. Produziu ventos de 40 milhas por hora (64 quilômetros por hora), graças a um ventilador movido a vapor no final do túnel. Em seu túnel, Wenham testou os efeitos de sustentação e arrasto em aerofólios de diferentes formatos. Conforme ele movia a borda frontal (chamada de vanguarda ) do aerofólio para cima e para baixo, mudando o que é chamado de ângulo de ataque, ele descobriu que certas formas resultavam em melhor sustentação do que o previsto. O vôo com a força do homem de repente parecia mais possível do que nunca.
No entanto, o design áspero do túnel criou ventos que eram muito instáveis para resultados de teste consistentes. Melhores túneis eram necessários para testes sistemáticos e resultados confiáveis. Em 1894, O inglês Horatio Philips substituiu um sistema de injeção de vapor para ventiladores, resultando em mais estável, fluxo de ar menos turbulento.
Do outro lado do Oceano Atlântico, em Ohio, os irmãos Wright, Orville e Wilbur, estavam acompanhando os desenvolvimentos em estudos de aerodinâmica e evocando idéias para projetos de planadores. Mas o teste de seus modelos no mundo real estava se revelando muito demorado; também não forneceu dados suficientes para melhorar seus planos.
Eles sabiam que precisavam de um túnel de vento. Então, depois de alguns ajustes, eles construíram um túnel com uma seção de teste de 16 polegadas (40,6 centímetros). Eles experimentaram cerca de 200 tipos diferentes de formatos de asas, anexando aerofólios a duas balanças - uma para arrasto, e um para elevador. As balanças convertiam o desempenho do aerofólio em ação mecânica mensurável que os irmãos usavam para completar seus cálculos.
Lentamente, eles trabalharam para encontrar a combinação certa de resistência e sustentação. Eles começaram a perceber que estreito, asas longas resultaram em muito mais sustentação do que curtas, asas grossas, e em 1903, seus meticulosos testes em túnel de vento valeram a pena. Os irmãos Wright voaram com o primeiro tripulado, avião motorizado em Kill Devil Hills, N.C. Uma nova era de inovação tecnológica havia começado, em grande parte graças aos túneis de vento.
Próximo, você verá exatamente como os túneis de vento operam sua magia invisível e ajudam a levar a humanidade para uma nova era tecnológica.
Aqui está um diagrama útil para ajudá-lo a visualizar as partes componentes de um túnel de vento. Como as coisas funcionam Os primeiros túneis de vento eram apenas dutos com ventiladores em uma extremidade. Esses túneis tornaram-se instáveis, ar irregular, então os engenheiros trabalharam constantemente para melhorar o fluxo de ar ajustando os layouts dos túneis. Os túneis modernos fornecem um fluxo de ar muito mais suave graças a um design fundamental que incorpora cinco seções básicas:a câmara de decantação, cone de contração, seção de teste, difusor e seção de acionamento.
O ar é um turbilhão, confusão caótica ao entrar no túnel. o Câmara de decantação faz exatamente o que seu nome indica:ajuda a estabilizar e endireitar o ar, frequentemente através do uso de painéis com orifícios em forma de favo de mel ou até mesmo uma tela de malha. O ar é então imediatamente forçado através do cone de contração , um espaço restrito que aumenta muito a velocidade do fluxo de ar.
Os engenheiros colocam seus modelos em escala no seção de teste , que é onde os sensores registram os dados e os cientistas fazem observações visuais. O ar subsequentemente flui para o difusor , que tem uma forma cônica que se alarga, e assim, diminui suavemente a velocidade do ar sem causar turbulência na seção de teste.
o seção de direção aloja o ventilador axial que cria um fluxo de ar de alta velocidade. Este ventilador é sempre colocado a jusante da seção de teste, no final do túnel, em vez de na entrada. Esta configuração permite que o ventilador puxe o ar em um fluxo suave em vez de empurrá-lo, o que resultaria em um fluxo de ar muito mais instável.
A maioria dos túneis de vento são longos, caixas retas, ou circuito aberto túneis (retorno aberto). Contudo, alguns são embutidos fechado circuitos (ou retorno fechado), que são basicamente ovais que enviam o ar ao redor e ao redor do mesmo caminho, como uma pista de corrida, usando palhetas e painéis alveolares para orientar e direcionar o fluxo com precisão.
As paredes do túnel são extremamente lisas porque quaisquer imperfeições podem agir como lombadas e causar turbulência. A maioria dos túneis de vento também são de tamanho moderado e pequenos o suficiente para caber em um laboratório de ciências de uma universidade, o que significa que os objetos de teste devem ser reduzidos para caber no túnel. Esses modelos em escala podem ser aviões inteiros em miniatura, construído (com grande custo) com precisão exata. Ou podem ser apenas uma única parte da asa de um avião ou outro produto.
Engenheiros montam modelos na seção de teste usando métodos diferentes, mas usualmente, os modelos são mantidos estacionários usando fios ou postes de metal, que são colocados atrás do modelo para evitar causar interrupções no fluxo de ar. Eles podem anexar sensores ao modelo que registram a velocidade do vento, temperatura, pressão do ar e outras variáveis.
Continue lendo para aprender mais sobre como os túneis de vento ajudam os cientistas a montar quebra-cabeças de aerodinâmica mais complicados e como suas descobertas estimulam avanços tecnológicos.
Smoke fornece visualização de fluxo para que os cientistas possam ver como o ar está se movendo ao redor do objeto de teste. Bill Pugliano / Notícias / Getty Images A sustentação e o arrasto são apenas dois elementos das forças aerodinâmicas que atuam dentro de um túnel de vento. Para testes de aeronaves em particular, existem dezenas de variáveis (como pitch, guinada, roll e muitos outros), que podem afetar o resultado dos experimentos.
Outros fatores também entram em jogo durante o teste, não importa qual seja a cobaia. Por exemplo, a qualidade do ar no túnel é variável e tem uma grande influência nos resultados dos testes. Além de medir cuidadosamente a forma e a velocidade do objeto (ou o vento soprando pelo objeto), os testadores devem considerar o viscosidade (ou pegajosidade) e compressibilidade (bounciness) do ar durante seus experimentos.
Você normalmente não pensa no ar como uma substância pegajosa, claro, mas à medida que o ar se move sobre um objeto, suas moléculas atingem sua superfície e se agarram a ela, mesmo que apenas por um instante. Isso cria um camada limite , uma camada de ar ao lado do objeto que afeta o fluxo de ar, assim como o próprio objeto. Altitude, temperatura, e outras variáveis podem afetar a viscosidade e compressibilidade, que por sua vez muda as propriedades da camada limite e arrasto, e a aerodinâmica do objeto de teste como um todo.
Descobrir como todas essas condições afetam o objeto de teste requer um sistema de sensores e computadores para registrar os dados do sensor. Tubos de Pitot são usados para medir a velocidade do fluxo de ar, mas túneis avançados são implantados anemômetros a laser que detectam a velocidade do vento ao "ver" partículas transportadas pelo ar na corrente de ar. Sondas de pressão monitorar a pressão do ar e pressão de vapor de água os sensores rastreiam a umidade.
Além de sensores, observações visuais também são extremamente úteis, mas para tornar o fluxo de ar visível, os cientistas contam com vários visualização de fluxo técnicas. Eles podem preencher a seção de teste com fumaça colorida ou uma névoa fina de líquido, como água, para ver como o ar se move sobre o modelo. Eles podem se aplicar espessos, óleos coloridos para o modelo para ver como o vento empurra o óleo ao longo da superfície do modelo.
Câmeras de vídeo de alta velocidade podem registrar a fumaça ou óleo conforme eles se movem para ajudar os cientistas a detectar pistas que não são óbvias a olho nu. Em alguns casos, lasers são usados para iluminar névoa ou fumaça e revelar detalhes do fluxo de ar.
Os túneis de vento oferecem configurações infinitas para testar idéias e conceitos ilimitados. Continue lendo, e você verá os túneis incrivelmente criativos que os engenheiros constroem quando encontram o dinheiro para transformar a brisa de uma ideia em uma tempestade tecnológica em grande escala.
Os túneis supersônicos e hipersônicos não usam ventiladores. Para gerar essas velocidades de ar vertiginosas, os cientistas usam rajadas de ar comprimido armazenado em tanques pressurizados colocados a montante da seção de teste, é por isso que às vezes são chamados soprar para baixo túneis. De forma similar, túneis hipersônicos às vezes são chamados tubos de choque, uma referência às explosões de alta potência, mas muito breves que eles produzem. Ambos têm enormes requisitos de energia, o que geralmente os torna melhores para testes curtos ou intermitentes.
As capacidades de pressão do ar também diferenciam os túneis de vento. Alguns túneis possuem controles para diminuir ou aumentar a pressão do ar. Por exemplo, em testar veículos espaciais, A NASA poderia criar um túnel para imitar a atmosfera de baixa pressão de Marte.
Você também pode categorizar os túneis por tamanho. Alguns são relativamente pequenos, e assim, são úteis apenas para testar modelos reduzidos ou seções de um objeto. Outros são em escala real e grandes o suficiente para testar veículos em tamanho real.
E alguns túneis de vento são apenas ... bem, realmente grande.
Centro de Pesquisa Ames da NASA, perto de San Jose, A Califórnia abriga o maior túnel de vento do mundo. Tem cerca de 54,8 metros de altura, mais de 1, 400 pés (426,7 metros) de comprimento, com uma seção de teste com 80 pés (24 metros) de altura e 120 pés (36,5 metros) de largura, grande o suficiente para acomodar um avião com envergadura de 30 metros. O túnel usa seis, fãs de quatro andares, cada um dirigido por seis 22, 500 cavalos de potência que podem impulsionar ventos de até 115 mph (185 km / h).
O tamanho não é o único fator em túneis de vento extraordinários. Continue lendo, e você descobrirá o quão modernos alguns desses túneis realmente são.
DIY WhirlwindsOs túneis de vento não são apenas para profissionais. Você pode encontrar planos online para construir seu próprio túnel de vento em casa, ou ainda compre kits com todas as peças necessárias incluídas. Existem muitos tipos de túneis de vento para todos os tipos de finalidades diferentes. Esses túneis são categorizados por suas características, como a velocidade do vento que eles geram na seção de teste.
Subsônico túneis de vento testam objetos com fluxos de ar de menos de 250 mph (402 kph). Transonic túneis cobrem túneis cobrem uma faixa de velocidade do vento de 250 mph a 760 mph (1, 223 km / h).
Supersônico os túneis geram ventos mais rápidos do que a velocidade do som (768 mph ou 1, 235,9 kph). Hipersônico túneis criam rajadas de vento assustadoramente rápidas de 3, 800 mph a 11, 400 mph (6, 115,5 kph a 18, 346,5 km / h) - ou ainda mais rápido.
consulte Mais informação
A General Motors possui o maior túnel de vento do mundo dedicado a testes automotivos. O ventilador tem um diâmetro de 13 metros. Bill Pugliano / Notícias / Getty Images Os engenheiros geralmente precisam testar várias variáveis aerodinâmicas e ambientais simultaneamente. É por isso que alguns túneis oferecem uma ampla gama de possibilidades de teste em um único local. O Grande Túnel de Vento Climático de Viena, usado principalmente para testes de automóveis e veículos ferroviários, é um desses túneis. A seção de teste sozinha tem 328 pés (100 metros) de comprimento, através do qual fluem velocidades de vento de até 299 km / h.
Os engenheiros podem ajustar a umidade relativa de 10 a 98 por cento e aumentar as temperaturas de -49 graus a 140 graus Fahrenheit (-45 a 60 Celsius). Fiel ao seu nome, o túnel climático de Viena vem completo com chuva, recursos de neve e gelo, além de simuladores de exposição solar.
Capacidade de gelo, em particular, tem sido um componente crítico em túneis de vento por décadas, porque o acúmulo de gelo nas superfícies dos aviões pode ser desastroso, causando a queda de um avião. Os túneis de gelo têm sistemas de refrigeração que resfriam o ar e, em seguida, borrifam pequenas gotas de água no fluxo de ar, produzindo um esmalte nos modelos de teste. Os engenheiros podem então experimentar soluções para conter o acúmulo de gelo, por exemplo, instalando sistemas de aquecimento que aquecem as superfícies do avião.
Existem muitos outros tipos de túneis projetados para propósitos específicos. Alguns projetos pulam postes ou fios para prender o modelo e, em vez disso, usam ímãs poderosos que suspendem os modelos metálicos na seção de teste. Outros fornecem fios de controle remoto que permitem aos cientistas realmente "voar" um avião modelo dentro da área de teste.
O Centro de Pesquisa Aerodinâmica da Universidade do Texas em Arlington tem o que é chamado de túnel de jato de arco, que gera fluxos supersônicos de gás muito quente em temperaturas de até 8, 540 graus Fahrenheit (4, 727 Celsius). Esses tipos de temperatura são especialmente úteis para a NASA, que submete sua espaçonave a altas temperaturas quando eles reentram na atmosfera da Terra.
Alguns túneis omitem totalmente o ar e, em vez disso, usam água. A água flui como o ar, mas tem maior densidade que o ar e é mais visível, também. Essas propriedades ajudam os cientistas a visualizar padrões de fluxo em torno de submarinos e cascos de navios, ou melhor ainda, ver ondas de choque criadas por aeronaves e mísseis muito rápidos.
Qual é o objetivo de soprar todo esse ar quente e frio ao redor, qualquer forma? Não é apenas para que os cientistas possam mostrar seu geek - na próxima página, você verá como os túneis de vento nos ajudam a fazer muito mais do que voar.
Rascunhos recreativosOs túneis de vento verticais (ou VWTs) provam que os túneis de vento não são apenas para trabalho. Os VWTs permitem que as pessoas mergulhem de pára-quedas em ambientes fechados (também chamado de bodyflying ), uma boa maneira para novatos e profissionais aprenderem a pular de paraquedas com segurança e se divertir ao mesmo tempo.
Túneis de vento verticais, como este na China, deixe os paraquedistas praticarem suas técnicas em ambientes fechados. Getty Images News / Getty Images Engenheiros e especialistas em manufatura usam túneis de vento para melhorar não apenas aviões e espaçonaves, mas toda uma variedade de produtos industriais e de consumo. Fabricantes de automóveis, em particular, dependem fortemente de túneis de vento.
O Laboratório de Aerodinâmica da General Motors possui o maior túnel de vento para o estudo da aerodinâmica de automóveis. Desde a construção do túnel há três décadas, os engenheiros da empresa reduziram o coeficiente de arrasto de seus veículos em cerca de 25%. Esse tipo de melhoria aumenta a economia de combustível em duas a três milhas por galão.
Os fabricantes de carros de corrida usam os túneis para melhorar a aerodinâmica do carro, particularmente velocidade e eficiência, para ajudá-los a obter uma vantagem competitiva. Túnel de vento AeroDyn, por exemplo, está localizada na Carolina do Norte e é especializada em testes de stock cars da NASCAR e outros carros de corrida e caminhões. Outra companhia, chamado Windshear, também opera na Carolina do Norte e possui um túnel avançado de circuito fechado com uma estrada rolante embutida, que é basicamente uma esteira enorme para carros.
Engenheiros eletrônicos usam pequenos túneis de vento para ver como o fluxo de ar afeta o acúmulo de calor nos componentes. Então, eles podem projetar chips de computador mais frios e placas-mãe que duram mais. Os gerentes de serviços públicos usam túneis de vento para testar turbinas eólicas usadas para gerar eletricidade. Os túneis de vento ajudam a tornar as turbinas e suas pás mais eficientes, eficaz e durável, para que possam resistir a constantes, rajadas poderosas. Mas os túneis de vento também ajudam os engenheiros a determinar os layouts do parque eólico e o espaçamento das turbinas, de modo a maximizar a eficiência ao mesmo tempo em que minimiza a turbulência de sucção de energia.
Túneis de vento e modelos de teste não são baratos de construir. É por isso que mais e mais organizações estão desativando seus túneis de vento e mudando para a modelagem por computador (também chamada de dinâmica de fluidos computacional ), que agora é frequentemente usado no lugar de modelos físicos e túneis. O que mais, os computadores permitem que os engenheiros ajustem infinitas variáveis do modelo e da seção de teste sem trabalho manual demorado (e caro). Os túneis físicos às vezes são usados apenas para testar novamente os resultados da modelagem por computador.
Engenheiros de construção usam modelagem de computador para testes de engenharia eólica para ajudá-los a projetar e construir arranha-céus, pontes e outras estruturas. Eles investigam a interação entre formas e materiais de construção e o vento para torná-los mais seguros e fortes.
Por enquanto, no entanto, túneis de vento ainda estão em uso em todo o mundo, ajudando cientistas a fazer produtos e veículos de todos os tipos mais seguros e eficientes. E mesmo que novas tecnologias virtuais eventualmente substituam os túneis de vento físicos, essas maravilhas da engenharia sempre terão um lugar na história do desenvolvimento da humanidade.
