Ludwig Prandtl

Ludwig Prandtl ( pronunciación alemana: [ ˈluːtvɪç ˈpʁantl̩ ] ; 4 de febrero de 1875 – 15 de agosto de 1953) ^{[ 1 ]} fue un físico , experto en dinámica de fluidos y científico aeroespacial alemán. Fue pionero en el desarrollo de análisis matemáticos sistemáticos y rigurosos que utilizó para fundamentar la ciencia de la aerodinámica , la cual ha llegado a constituir la base de la ciencia aplicada de la ingeniería aeronáutica . ^{[ 2 ]} En la década de 1920, desarrolló la base matemática para los principios fundamentales de la aerodinámica subsónica en particular; y en general hasta velocidades transónicas inclusive . Sus estudios identificaron la capa límite , los perfiles aerodinámicos delgados y las teorías de la línea sustentadora . El número de Prandtl recibió su nombre en su honor. ^{[ 3 ]}

Prandtl nació en Freising , cerca de Múnich , el 4 de febrero de 1875. ^{[ 3 ]} Su madre padeció una larga enfermedad y, como consecuencia, Ludwig pasó más tiempo con su padre, profesor de ingeniería. Su padre también lo animó a observar la naturaleza y a reflexionar sobre sus observaciones.

Prandtl ingresó en la Technische Hochschule Munich en 1894 y se doctoró en seis años bajo la dirección del profesor August Foeppl . ^{[ 4 ]} Su tesis fue "Sobre los fenómenos de inclinación, un ejemplo de equilibrio elástico inestable" (1900). ^{[ 3 ]}

Tras graduarse de la universidad, Prandtl empezó a trabajar en la Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg para mejorar un dispositivo de succión para la eliminación de virutas en el proceso de fabricación. Allí descubrió que el tubo de succión no funcionaba porque las líneas de flujo se separaban de las paredes del tubo, por lo que el aumento de presión esperado en el tubo de fuerte divergencia nunca se producía. Este fenómeno ya había sido observado por Daniel Bernoulli en un caso hidráulico similar . Prandtl recordó que este descubrimiento le llevó a desarrollar el razonamiento de su enfoque de capa límite para la resistencia en fluidos ligeramente viscosos. ^{[ 5 ]}

En 1901, Prandtl se convirtió en profesor de mecánica de fluidos en la escuela técnica de Hannover , posteriormente la Universidad Técnica de Hannover y luego la Universidad de Hannover . Fue allí donde desarrolló muchas de sus teorías más importantes. ^{[ 3 ]} El 8 de agosto de 1904, presentó un artículo innovador, Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung ( Sobre el movimiento de fluidos con muy poca fricción ), en el Tercer Congreso Internacional de Matemáticas en Heidelberg . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} En este artículo, describió la capa límite y su importancia para la resistencia ^{[ 3 ]} y la aerodinámica . El artículo también describió la separación del flujo como resultado de la capa límite, explicando claramente el concepto de pérdida de sustentación por primera vez. Varios de sus estudiantes intentaron obtener soluciones analíticas , pero fracasaron, y al final la aproximación contenida en su artículo original sigue siendo de uso generalizado.

El impacto del artículo fue tan grande que Prandtl sucedió a Hans Lorenz como director del Instituto de Física Técnica de la Universidad de Göttingen ese mismo año. En 1907, durante su estancia en Göttingen, a Prandtl se le encomendó la creación de un nuevo centro para estudios de modelos de dirigibles motorizados llamado Motorluftschiffmodell-Versuchsanstalt (MVA), que más tarde, en 1919 , se convertiría en el Aerodynamische Versuchsanstalt (AVA). ^{[ 9 ]} El centro se centró en mediciones en túnel de viento de modelos de dirigibles con el objetivo de obtener formas con mínima resistencia al aire. Durante la Primera Guerra Mundial , se utilizó como un gran centro de investigación con numerosas tareas, entre ellas la sustentación y la resistencia en perfiles aerodinámicos, la aerodinámica de bombas y la cavitación en palas de hélices de submarinos. ^{[ 9 ]} En 1925 , la universidad separó su rama de investigación para crear el Instituto Kaiser Wilhelm para la Investigación del Flujo (actualmente el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización ). ^{[ 10 ]}

Debido a la complejidad de las ideas de Prandtl sobre la capa límite en su artículo de 1904, la difusión del concepto fue inicialmente lenta. Muchas personas no adoptaron la idea por falta de comprensión. Los nuevos descubrimientos sobre la capa límite se estancaron hasta 1908, cuando dos de sus estudiantes en Gotinga, Blasius y Boltze, publicaron sus tesis doctorales sobre el tema. La tesis de Blasius explicaba lo que sucedía con la capa límite cuando una placa plana entraba en contacto paralelo con una corriente uniforme. La investigación de Boltze fue similar a la de Blasius, pero aplicó la teoría de Prandtl a formas esféricas en lugar de objetos planos. Prandtl amplió las ideas de las tesis de sus estudiantes para incluir una capa límite térmica asociada a la transferencia de calor. ^{[ 11 ]}

En 1914, investigadores de Gotinga publicaron tres artículos más sobre la capa límite. Debido a razones similares a las del artículo de Prandtl de 1904, estos primeros siete artículos sobre la capa límite tardaron en difundirse fuera de Gotinga. En parte debido a la Primera Guerra Mundial, hubo una escasez de publicaciones sobre la capa límite hasta que otro alumno de Prandtl, Theodore Von Karman, publicó en 1921 un artículo sobre la ecuación integral del momento a través de la capa límite. ^{[ 11 ]}

Siguiendo las líneas de investigación previas de Frederick Lanchester entre 1902 y 1907, Prandtl colaboró ​​con Albert Betz y Max Munk en el desarrollo de una herramienta matemática útil para analizar la sustentación generada por alas reales. Los resultados se publicaron entre 1918 y 1919, bajo el nombre de teoría de alas de Lanchester-Prandtl . También realizó aportaciones específicas para el estudio de perfiles aerodinámicos curvados, como los de los aviones de la Primera Guerra Mundial, y publicó una teoría simplificada de perfiles delgados para estos diseños. Este trabajo permitió comprender que, en cualquier ala de longitud finita, los efectos en la punta del ala adquirían una gran importancia para el rendimiento y la caracterización general del ala. Se dedicó un considerable esfuerzo al estudio de la naturaleza de la resistencia inducida y los vórtices en la punta del ala , ^{[ 3 ]} aspectos que hasta entonces se habían ignorado. Prandtl demostró que una distribución elíptica de la sustentación a lo largo de la envergadura es la más eficiente, ya que minimiza la resistencia inducida para la envergadura dada. Estas herramientas permitieron a los diseñadores de aeronaves realizar estudios teóricos significativos de sus aviones antes de su construcción.

Posteriormente, Prandtl extendió su teoría para describir una distribución de sustentación en forma de campana, reduciendo las cargas cerca de la punta de las alas mediante el lavado de las puntas hasta obtener un flujo descendente negativo, lo que proporcionaba la mínima resistencia inducida para cualquier peso estructural del ala dado. ^{[ 12 ]} Sin embargo, esta nueva distribución de sustentación despertó menos interés que la distribución elíptica y fue inicialmente ignorada en la mayoría de los diseños prácticos de aeronaves. Este concepto ha sido redescubierto por otros investigadores y ha adquirido cada vez mayor importancia ^{[ 13 ] [ 14 ]} (véase también la aeronave experimental Prandtl-D ).

Prandtl y su alumno Theodor Meyer desarrollaron las primeras teorías sobre ondas de choque y flujo supersónicos en 1908. Los ventiladores de expansión Prandtl-Meyer permitieron la construcción de túneles de viento supersónicos . Tuvo poco tiempo para seguir trabajando en el problema hasta la década de 1920, cuando colaboró ​​con Adolf Busemann y creó un método para diseñar una tobera supersónica en 1929. Hoy en día, todos los túneles de viento supersónicos y las toberas de cohetes se diseñan utilizando el mismo método. El desarrollo completo de la supersónica tendría que esperar al trabajo de Theodore von Kármán , alumno de Prandtl en Gotinga.

Prandtl desarrolló el concepto de "circulación", que resultó ser particularmente importante para la hidrodinámica de las hélices de los barcos. Realizó la mayor parte del trabajo experimental en su laboratorio de Gotinga entre 1910 y 1918 con su asistente Albert Betz y el estudiante Max Munk. La mayoría de sus descubrimientos relacionados con la circulación se mantuvieron en secreto para el mundo occidental hasta después de la Primera Guerra Mundial. ^{[ 15 ]}

Antes de la Primera Guerra Mundial, la Sociedad de Científicos Naturales y Físicos Alemanes (GDNÄ) era la única oportunidad para que los matemáticos aplicados, físicos e ingenieros de los países de habla alemana debatieran. ^{[ 9 ]} En 1920, se reunieron en Bad Nauheim y llegaron a la conclusión de que era necesario un nuevo organismo que agrupara a las ciencias aplicadas debido a su experiencia durante la guerra. ^{[ 9 ]} Ese mismo año, físicos provenientes principalmente de laboratorios industriales formaron una nueva sociedad llamada Sociedad Alemana de Física (DGTP). ^{[ 9 ]} En septiembre de 1921, las dos sociedades celebraron una reunión con la Sociedad Alemana de Matemáticas (DMV) en Jena . En su primer volumen, ZAMM (Journal of Applied Mathematics and Mechanics) afirmó que esta reunión "por primera vez, las matemáticas aplicadas y la mecánica estaban alcanzando mayor relevancia" ^{[ 16 ].} Esta revista dio a conocer los objetivos comunes de Prandtl, Theodore von Kármán , Richard von Mises y Hans Reissner . ^{[ 9 ]}

Además de la fundación de ZAMM, la GAMM (Asociación Internacional de Matemáticas Aplicadas y Mecánica) también se formó gracias a los esfuerzos conjuntos de Prandtl y sus colegas. ^{[ 9 ]} Tras estas reuniones iniciales de la GAMM, quedó claro que existía una nueva comunidad internacional de matemáticos, "ingenieros científicos" y físicos. ^{[ 9 ]}

Otros trabajos examinaron el problema de la compresibilidad a altas velocidades subsónicas, conocido como la corrección de Prandtl-Glauert . Esto resultó muy útil durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los aviones comenzaron a alcanzar velocidades supersónicas por primera vez. También trabajó en meteorología , plasticidad y mecánica estructural . Asimismo, realizó importantes contribuciones al campo de la tribología . ^{[ 17 ]}

Tras la investigación de Prandtl sobre inestabilidades entre 1921 y 1929, pasó a explorar la turbulencia desarrollada. ^{[ 18 ]} Kármán también investigaba este tema, lo que dio lugar a una carrera por formular una solución para el perfil de velocidad en la turbulencia desarrollada. ^{[ 18 ]} Respecto a la rivalidad profesional que surgió entre ambos, Kármán comentó: «Me di cuenta de que, desde que llegué a Aquisgrán, mi antiguo profesor y yo estábamos inmersos en una especie de competición mundial. La competición era, por supuesto, caballerosa. Pero, aun así, era una rivalidad de primer nivel, una especie de Juegos Olímpicos, entre Prandtl y yo, y más allá de eso, entre Gotinga y Aquisgrán. El "campo de juego" era el Congreso de Mecánica Aplicada. Nuestra "pelota" era la búsqueda de una ley universal de la turbulencia». ^{[ 19 ]} Alrededor de 1930, la carrera terminó en empate ya que ambos hombres concluyeron que el inverso del cuadrado de la fricción de la piel estaba relacionado con el valor logarítmico del producto del número de Reynolds y la fricción de la piel como se ve a continuación, donde k y C son constantes.

El trabajo de Prandtl y von Kármán sobre el límite fue influyente y adoptado por expertos en aerodinámica e hidrodinámica de todo el mundo después de la Primera Guerra Mundial. En mayo de 1932, se celebró en Hamburgo la Conferencia Internacional sobre Problemas Hidromecánicos de la Propulsión Naval . Günther Kempf presentó en la conferencia varios experimentos que confirmaron muchos de los descubrimientos teóricos de von Kármán y Prandtl. ^{[ 20 ]}

Tras el ascenso de Hitler al poder y el establecimiento del Tercer Reich , Prandtl continuó su labor como director de la Sociedad Kaiser Wilhelm . Durante este periodo, el Ministerio del Aire nazi , dirigido por Hermann Göring , a menudo utilizó la reputación internacional de Prandtl como científico para promover la agenda científica alemana. Prandtl parece haber servido con gusto como embajador del régimen nazi, escribiendo en 1937 a un representante de la NACA : «Creo que el fascismo en Italia y el nacionalsocialismo en Alemania representan muy buenos comienzos para un nuevo pensamiento y una nueva economía». El apoyo de Prandtl al régimen es evidente en sus cartas a G.I. Taylor y su esposa en 1938 y 1939. Refiriéndose al trato que la Alemania nazi daba a los judíos, Prandtl escribió: «La lucha que Alemania, lamentablemente, tuvo que librar contra los judíos, era necesaria para su propia supervivencia». Prandtl también afirmó que «Si hay guerra, la culpa de haberla causado mediante medidas políticas recae esta vez inequívocamente del lado de Inglaterra». ^{[ 21 ]}

Como miembro de la Sociedad Alemana de Física (DPG) , Prandtl ayudó a Carl Ramsauer a redactar la Petición de la DPG en 1941. Dicha petición se publicó en 1942 y argumentaba que la física en Alemania se estaba quedando atrás con respecto a la de Estados Unidos debido al rechazo de la "física judía" ( relatividad y teoría cuántica ) por parte de los físicos alemanes. Tras la publicación de la Petición de la DPG, la creencia en la superioridad de la "física alemana" se debilitó, lo que permitió a los estudiantes alemanes estudiar estos nuevos campos en sus escuelas. ^{[ 20 ]}

• Paul Peter Ewald, Theodor Pöschl, Ludwig Prandtl; traducción autorizada por J. Dougall y WM Deans La física de los sólidos y los fluidos: con los desarrollos recientes Blackie and Son (1930).
• Tietjens, Oskar Karl Gustav; Prandtl, Ludwig (1957). Fundamentos de hidromecánica y aeromecánica . Courier Corporation. ISBN 978-0-486-60374-2.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
• Prandtl, Ludwig (1952). Fundamentos de dinámica de fluidos: Con aplicaciones a la hidráulica, la aeronáutica, la meteorología y otras materias . Hafner. ISBN 9780028503301.{{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )

Prandtl trabajó en Gotinga hasta su fallecimiento el 15 de agosto de 1953. Su trabajo en dinámica de fluidos se sigue utilizando hoy en día en muchos ámbitos de la aerodinámica y la ingeniería química . A menudo se le considera el padre de la aerodinámica moderna.

El cráter Prandtl, situado en la cara oculta de la Luna , recibe su nombre en su honor.

El Anillo Ludwig-Prandtl lo otorga la Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt en su honor por su destacada contribución en el campo de la ingeniería aeroespacial.

En 1992, Prandtl fue incorporado al Salón Internacional de la Fama del Aire y el Espacio en el Museo del Aire y el Espacio de San Diego . ^{[ 22 ]}

• turbina Tesla
• velocimetría de imágenes de partículas
• Túnel de viento
• Túnel de viento subsónico y transónico
• Tubo Pitot
• Ley de la séptima potencia de Prandtl
• Los aviones de investigación de la NASA, Prandtl-D (Diseño Aerodinámico de Investigación Preliminar para Reducir la Resistencia) y Prandtl-M (Diseño Aerodinámico de Investigación Preliminar para Aterrizar en Marte), ambos acrónimos inversos en honor a Prandtl

• Ludwig Prandtl en el Proyecto de Genealogía Matemática
• Biografía de Ludwig Prandtl en alemán , ISBN 3-938616-34-2, 258 páginas
• Biografía de Ludwig Prandtl en inglés , ISBN 978-3-86395-160-3, 265 páginas
• La capa límite de Ludwig Prandtl
• Grabación en vídeo de la conferencia de E. Bodenschatz sobre la vida y obra de Ludwig Prandtl.