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La propulsión a chorro consiste en impulsar un objeto en una dirección mediante la expulsión de un chorro de fluido en la dirección opuesta. Según la tercera ley de Newton , el cuerpo en movimiento se impulsa en la dirección opuesta al chorro. Entre los motores de reacción que funcionan según el principio de propulsión a chorro se incluyen el motor a reacción utilizado para la propulsión de aeronaves , el propulsor de chorro de bomba utilizado para la propulsión marina y el motor cohete y el propulsor de plasma utilizados para la propulsión de naves espaciales . La propulsión a chorro subacuática también la utilizan varios animales marinos, como los cefalópodos y las salpas , y el calamar volador incluso presenta el único caso conocido de vuelo aéreo propulsado por chorro en el reino animal.
Física
La propulsión a chorro se produce en algunos motores de reacción o en animales cuando se genera empuje mediante un chorro de fluido que se mueve rápidamente , de acuerdo con las leyes del movimiento de Newton . Es más eficaz cuando el número de Reynolds es alto, es decir, cuando el objeto que se propulsa es relativamente grande y se desplaza a través de un medio de baja viscosidad. [ 1 ]
En los animales, los chorros más eficientes son pulsados, en lugar de continuos, [ 2 ] al menos cuando el número de Reynolds es mayor que 6. [ 3 ]
impulso específico
El impulso específico (generalmente abreviado como I sp ) es una medida de la eficacia con la que un cohete utiliza el propulsor o un motor a reacción el combustible. Por definición, es el impulso total (o cambio en el momento ) entregado por unidad de propulsor consumido [ 4 ] y es dimensionalmente equivalente al empuje generado dividido por el caudal másico o caudal másico del propulsor. [ 5 ] Si se utiliza la masa ( kilogramo , libra masa o slug ) como unidad de propulsor, el impulso específico tiene unidades de velocidad . Si se utiliza el peso ( newton o libra fuerza ), el impulso específico tiene unidades de tiempo (segundos). Multiplicar el caudal por la gravedad estándar ( g₀ ) convierte el impulso específico de la base de masa a la base de peso. [ 5 ]
Un sistema de propulsión con un impulso específico más alto utiliza la masa del propulsor de manera más eficaz para generar empuje hacia adelante y, en el caso de un cohete, requiere menos propulsor para un delta-v dado , según la ecuación de cohetes de Tsiolkovsky . [ 4 ] [ 6 ] En los cohetes, esto significa que el motor es más eficaz para ganar altitud, distancia y velocidad. Esta eficacia es menos importante en los motores a reacción que emplean alas y utilizan aire exterior para la combustión y transportan cargas útiles mucho más pesadas que el propulsor.
El impulso específico incluye la contribución al impulso proporcionada por el aire externo utilizado para la combustión y que se expulsa con el propelente gastado. Los motores a reacción utilizan aire externo y, por lo tanto, tienen un impulso específico mucho mayor que los motores de cohete. El impulso específico, expresado en términos de masa de propelente gastado, tiene unidades de distancia por unidad de tiempo, lo que constituye una velocidad artificial denominada "velocidad de escape efectiva". Esta es superior a la velocidad de escape real porque no se tiene en cuenta la masa del aire de combustión. En los motores de cohete que no utilizan aire, la velocidad de escape real y la efectiva son iguales.
El impulso específico es inversamente proporcional al consumo específico de combustible (SFC) según la relación I sp = 1/( g o ·SFC) para SFC en kg/(N·s) e I sp = 3600/SFC para SFC en lb/(lbf·hr).
Empuje
De la definición de empuje de impulso específico en unidades del SI se obtiene:
donde V e es la velocidad de escape efectiva yes el caudal de propulsor.
Tipos de motores de reacción
Los motores de reacción producen empuje expulsando masa de reacción sólida o fluida ; la propulsión a chorro se aplica únicamente a los motores que utilizan masa de reacción fluida.
Motor a reacción
Un motor a reacción es un motor de reacción que utiliza aire ambiente como fluido de trabajo y lo convierte en un gas caliente a alta presión que se expande a través de una o más toberas . Técnicamente, la mayoría de los motores a reacción son turbinas de gas que funcionan según el ciclo Brayton . Dos tipos de motores a reacción, el turborreactor y el turbofán , emplean compresores axiales o centrífugos para aumentar la presión antes de la combustión y turbinas para impulsar la compresión. Los estatorreactores operan solo a altas velocidades de vuelo porque prescinden de compresores y turbinas, dependiendo en cambio de la presión dinámica generada por la alta velocidad (conocida como compresión dinámica). Los pulsorreactores también prescinden de compresores y turbinas, pero pueden generar empuje estático y tienen una velocidad máxima limitada.
Motor cohete
El cohete es capaz de operar en el vacío del espacio porque depende de que el vehículo transporte su propio oxidante en lugar de utilizar el oxígeno del aire, o, en el caso de un cohete nuclear , calienta un propulsor inerte (como hidrógeno líquido ) haciéndolo pasar a través de un reactor nuclear .
Motor de plasma
Los propulsores de plasma aceleran el plasma mediante medios electromagnéticos .
Bomba-chorro
El sistema de propulsión por chorro, utilizado para la propulsión marina , utiliza agua como fluido de trabajo, presurizada mediante una hélice canalizada , una bomba centrífuga o una combinación de ambas.
Animales propulsados a reacción
Los cefalópodos, como los calamares, utilizan la propulsión a chorro para escapar rápidamente de los depredadores ; emplean otros mecanismos para nadar lentamente. El chorro se produce al expulsar agua a través de un sifón , que generalmente se estrecha hasta una pequeña abertura para producir la máxima velocidad de exhalación. El agua pasa por las branquias antes de la exhalación, cumpliendo así la doble función de respiración y locomoción. [ 1 ]
Las liebres marinas ( Gastropoda , Opisthobranchia ) emplean un método similar, pero sin la sofisticada maquinaria neurológica de los cefalópodos y sin aletas para dirigir sus movimientos, navegan de forma algo más torpe. [ 7 ]
El ciclo de natación tiene dos fases: (A) la fase propulsora, donde el animal expulsa un chorro de agua para moverse, y (B) la fase de balanceo, donde realiza una voltereta para restablecer su posición. [ 7 ]
Un estudio de Mazzarelli (1893) sugiere que los cangrejos Dromia podrían ser depredadores de Notarchus . En un tanque confinado con poca agua de mar, dos liebres de mar se asfixiaron tras ser sujetadas firmemente por el cangrejo durante horas, a pesar de no presentar lesiones visibles al diseccionarlas. No está claro si este comportamiento se da en la naturaleza, pero Notarchus podría escapar simplemente nadando si el espacio lo permite. [ 7 ] [ 8 ]
Algunos peces teleósteos han desarrollado propulsión a chorro, haciendo pasar agua a través de las branquias para complementar el movimiento impulsado por las aletas. [ 9 ] [ 10 ]
En algunas larvas de libélula , la propulsión a chorro se logra mediante la expulsión de agua desde una cavidad especializada a través del ano. Dado el pequeño tamaño del organismo, se alcanza una gran velocidad. [ 11 ]
Las vieiras y los cardídeos , [ 12 ] los sifonóforos , [ 13 ] los tunicados (como las salpas ), [ 14 ] [ 15 ] y algunas medusas [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] también emplean propulsión a chorro. Los organismos propulsados a chorro más eficientes son las salpas, [ 14 ] que utilizan un orden de magnitud menos de energía (por kilogramo por metro) que los calamares. [ 19 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 Packard, A. (1972). "Cefalópodos y peces: los límites de la convergencia". Biological Reviews . 47 (2): 241– 307. doi : 10.1111/j.1469-185X.1972.tb00975.x . S2CID 85088231 .
- ↑ Sutherland, KR; Madin, LP (2010). "Estructura comparativa de la estela del chorro y rendimiento de natación de las salpas" (PDF) . Journal of Experimental Biology . 213 (Pt 17): 2967–75 . doi : 10.1242/jeb.041962 . PMID 20709925 .
- ↑ Dabiri, JO; Gharib, M. (2005). "El papel de la formación óptima de vórtices en el transporte de fluidos biológicos" . Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences . 272 (1572): 1557– 1560. doi : 10.1098/rspb.2005.3109 . PMC 1559837. PMID 16048770 .
- 1 2 "¿Qué es el impulso específico?" . Qualitative Reasoning Group. Archivado del original el 4 de julio de 2016. Recuperado el 22 de diciembre de 2009 .
- 1 2 Benson, Tom (11 de julio de 2008). "Impulso específico" . NASA . Archivado del original el 24 de enero de 2010. Recuperado el 22 de diciembre de 2009 .
- ↑ Hutchinson, Lee (14 de abril de 2013). "Nuevo motor de cohete F-1B mejora el diseño de la era Apolo con 1,8 millones de libras de empuje" . Ars Technica . Consultado el 15 de abril de 2013.
La medida de la efectividad del combustible de un cohete se denomina impulso específico (abreviado como "ISP" o, más propiamente, Isp)... "El impulso específico de masa... describe la efectividad de producción de empuje de una reacción química y se puede entender fácilmente como la cantidad de fuerza de empuje producida por cada libra (masa) de combustible y propulsor oxidante quemado en una unidad de tiempo. Es algo así como una medida de millas por galón (mpg) para cohetes".
- ^ Martín, Rainer (1966 ) . Sobre el comportamiento de natación y la biología de Notarchus punctatus Phillipi (Gastropoda, Opisthobranchia) . Publicaciones públicas de la estación zoológica de Nápoles. vol. 35. págs. 61 a 75.
- ^ Mazzarelli, G. (1893). "Monografía delle Aplysiidae del Golfo di Napoli" . Memoria de la Sociedad Italiana delle Scienze . 9 : 1-222 .
- ↑ Wake, MH (1993). "El cráneo como órgano locomotor". En Hanken, James; Hall, Brian K. (eds.). Craneología: Entendiendo la cabeza: El cráneo . Vol. 3. University of Chicago Press . p. 201. doi : 10.1126/science.263.5154.1779 . ISBN 978-0-226-31573-7.
- ↑ Lindsey, CC (1978). Hoar; Randall (eds.). Forma, función y hábitos locomotores en peces . Fisiología de los peces. Vol. 7. Academic Press. pp. 1–100 . doi : 10.1016/S1546-5098(08)60163-6 . ISBN 978-0-12-350407-4ISSN 1546-5098
- ↑ Mill, PJ; Pickard, RS (1975). "Propulsión a chorro en larvas de libélula anisópteras".