Horno rotatorio

Un horno rotatorio es un dispositivo para fabricar objetos sólidos con superficies cóncavas que son segmentos de paraboloides de simetría axial . Generalmente, estos objetos son de vidrio . El horno se basa en el hecho, ya conocido por Newton , de que la forma que adquiere la superficie superior de un líquido en rotación, debido a la fuerza centrífuga, es un paraboloide cóncavo, idéntico a la forma del espejo primario de enfoque de un telescopio reflector.

Los paraboloides se pueden utilizar de diversas maneras, incluyendo (después de ser plateados ) como espejos primarios en telescopios reflectores y cocinas solares . ^{[ 1 ]}

Diseño

El horno incluye un mecanismo que hace girar un recipiente abierto a velocidad constante alrededor de un eje vertical. Se coloca en el recipiente una cantidad de vidrio suficiente para fabricar el espejo, se calienta hasta que se funde por completo y luego se deja enfriar mientras continúa girando hasta que se solidifica por completo. Cuando el vidrio está sólido, se detiene la rotación y se conserva la forma paraboloide de su superficie superior. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Este proceso se denomina fundición centrífuga .

El mismo proceso puede utilizarse para fabricar una lente con una superficie paraboloide cóncava. La otra superficie se moldea mediante el recipiente que contiene el vidrio fundido, el cual actúa como molde. Las lentes fabricadas de esta manera se utilizan a veces como objetivos en telescopios refractores .

El eje de rotación se convierte en el eje del paraboloide. No es necesario que este eje se encuentre en el centro del recipiente de vidrio, ni siquiera que lo atraviese. Al colocar el recipiente alejado del eje, se pueden fundir segmentos paraboloidales fuera del eje. Esto se utiliza en la fabricación de telescopios de gran tamaño cuyos espejos constan de varios segmentos.

Modelo matemático

Velocidad de rotación y distancia focal

La distancia focal del paraboloide está relacionada con la velocidad angular a la que gira el líquido mediante la siguiente ecuación: $2f\omega ^{2}=g$ , dónde $f$ es la distancia focal, $\omega$ es la velocidad de rotación y $g$ es la aceleración debida a la gravedad . En la superficie de la Tierra, $g$ es aproximadamente 9,81 metros por segundo al cuadrado, por lo que $f\omega ^{2}\approx 4.905$ metros por segundo al cuadrado. ^{[ 3 ]} De manera equivalente, como 1 radián por segundo es aproximadamente 9,55 rotaciones por minuto ( RPM ), $fs^{2}\approx 447$ , dónde $f$ es la distancia focal en metros, y $s$ es la velocidad de rotación en RPM.

Usos

Por lo general, un paraboloide fundido por centrifugación no es lo suficientemente preciso como para usarlo inmediatamente como espejo o lente de telescopio, por lo que se corrige mediante máquinas de rectificado controladas por ordenador. La cantidad de rectificado realizada y la masa de vidrio desperdiciada son mucho menores que las que se habrían requerido sin el proceso de centrifugación.

La fundición centrífuga también puede utilizarse, a menudo con materiales distintos del vidrio, para producir prototipos de paraboloides, como reflectores para focos o concentradores de energía solar, que no necesitan ser tan paraboloides exactos como los espejos de los telescopios. Fundir cada paraboloide mediante fundición centrífuga sería demasiado lento y costoso, por lo que el prototipo simplemente se copia de forma relativamente rápida y económica, y con la precisión adecuada.

Los telescopios de espejo líquido tienen espejos giratorios compuestos de un metal líquido como el mercurio o una aleación de galio de bajo punto de fusión . Estos espejos no se solidifican y se utilizan mientras están líquidos y girando. La rotación les da forma de paraboloides con la precisión suficiente para ser utilizados como reflectores primarios en telescopios. ^[⁴^] En comparación con los espejos de vidrio fundido por centrifugación, que necesitan corrección debido a las distorsiones que surgen durante y después de la solidificación, estos espejos no requieren dicha corrección. ^[⁵^]

Véase también

Referencias

↑ "Uso de líquidos giratorios para simplificar la construcción de concentradores solares parabólicos" .
↑ Dierickx, P. (2000). "Fabricación óptica a gran escala" . Actas de la Conferencia y Taller del Observatorio Europeo Austral . 57 : 224. Bibcode : 2000ESOC...57..224D .
1 2 Ninomiyaa, Yuichi (1979). "Espejo parabólico fabricado mediante el método de rotación: su fabricación y defectos". Applied Optics . 18 (11): 1835– 1841. Bibcode : 1979ApOpt..18.1835N . doi : 10.1364/AO.18.001835 . PMID 20212558 . S2CID 122277262 .
↑ "Zenith: Programa de telescopios de espejo líquido de DARPA" (PDF) .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: estado de la URL ( enlace )
↑ "Servidor de informes técnicos de la NASA" (PDF) .

[1] "Uso de líquidos giratorios para simplificar la construcción de concentradores solares parabólicos" .

[2] Dierickx, P. (2000). "Fabricación óptica a gran escala" . Actas de la Conferencia y Taller del Observatorio Europeo Austral . 57 : 224. Bibcode : 2000ESOC...57..224D .

[:0-3] 1 2 Ninomiyaa, Yuichi (1979). "Espejo parabólico fabricado mediante el método de rotación: su fabricación y defectos". Applied Optics . 18 (11): 1835– 1841. Bibcode : 1979ApOpt..18.1835N . doi : 10.1364/AO.18.001835 . PMID 20212558 . S2CID 122277262 .

[4] "Zenith: Programa de telescopios de espejo líquido de DARPA" (PDF) .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: estado de la URL ( enlace )

[5] "Servidor de informes técnicos de la NASA" (PDF) .

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