Los vehículos impulsados por el viento obtienen su poder de velas, cometas o rotores y se montan sobre ruedas, que pueden estar vinculadas a un rotor impulsado por el viento, o corredores. Ya sean propulsados por vela, cometa o rotor, estos vehículos comparten un rasgo común: a medida que el vehículo aumenta su velocidad, la aerodinámica que avanza encuentra un viento aparente creciente en un ángulo de ataque cada vez más pequeño. Al mismo tiempo, dichos vehículos están sujetos a una resistencia delantera relativamente baja, en comparación con las embarcaciones de vela tradicionales. Como resultado, tales vehículos son a menudo capaces de velocidades superiores a las del viento.
Los ejemplos impulsados por rotor han demostrado velocidades terrestres que exceden la del viento, tanto directamente contra el viento como directamente a favor del viento al transferir la potencia a través de un tren de transmisión entre el rotor y las ruedas. El récord de velocidad impulsado por el viento es por un vehículo con una vela en él, Greenbird, con una velocidad máxima registrada de 202.9 kilómetros por hora (126.1 mph).
Otros medios de transporte eólicos incluyen embarcaciones de vela que viajan en el agua, y globos y planeadores que viajan en el aire, todo lo cual está fuera del alcance de este artículo.
Accionado a vela
Los vehículos propulsados por la vela viajan por tierra o hielo a velocidades del viento aparentes que son más altas que la velocidad del viento real, y se encuentran en la mayoría de los puntos de la vela. Tanto los yates terrestres como los barcos de hielo tienen una baja resistencia delantera a la velocidad y una alta resistencia lateral al movimiento lateral.
Teoría
Las fuerzas aerodinámicas en las velas dependen de la velocidad y dirección del viento y de la velocidad y dirección de la embarcación (VB). La dirección en que viaja la embarcación con respecto al viento real (la dirección y velocidad del viento sobre la superficie – VT) se denomina punto de navegación. La velocidad de la embarcación en un punto determinado de la vela contribuye al viento aparente (VA): la velocidad y la dirección del viento, medida en la embarcación en movimiento. El viento aparente en la vela crea una fuerza aerodinámica total, que puede resolverse en arrastre, el componente de fuerza en la dirección del viento aparente, y la elevación, el componente de fuerza normal (90 °) al viento aparente. Dependiendo de la alineación de la vela con el viento aparente, la elevación o el arrastre pueden ser el componente propulsor predominante. La fuerza aerodinámica total también se resuelve en una fuerza de avance, propulsora, impulsora, resistida por el medio a través del cual pasa la nave (por ejemplo, a través del agua, aire o hielo, arena) y una fuerza lateral, resistida por las ruedas o Corredores de hielo del vehículo.
Debido a que los vehículos impulsados por el viento generalmente navegan en ángulos de viento aparentes alineados con el borde delantero de la vela, la vela actúa como un perfil aerodinámico y la elevación es el componente predominante de la propulsión. La baja resistencia al movimiento hacia adelante, las altas velocidades sobre la superficie y la alta resistencia lateral ayudan a crear altas velocidades de viento aparentes, con una alineación más cercana del viento aparente al rumbo recorrido en la mayoría de los puntos de la vela, y permiten que los vehículos impulsados por el viento alcancen velocidades más altas que las embarcaciones de vela convencionales.
Yate de tierra
La navegación en tierra ha evolucionado desde una novedad, desde la década de 1950, principalmente a un deporte. Los vehículos utilizados en la navegación son conocidos como yates terrestres o de arena. Por lo general, tienen tres (a veces cuatro) ruedas y funcionan de manera muy parecida a un velero, excepto que se operan desde una posición sentada o acostada y son dirigidas por pedales o palancas de mano. La navegación en tierra es más adecuada para áreas planas con viento; las carreras a menudo tienen lugar en playas, campos de aviación y lechos de lagos secos en regiones desérticas.
Greenbird, un vehículo propulsado por la vela patrocinado por Ecotricity, rompió el récord mundial de velocidad terrestre para un vehículo eólico en 2009 con una velocidad máxima registrada de 202.9 kilómetros por hora (126.1 mph), superando el récord anterior de 116 millas por hora (187 km / h), establecido por Schumacher de los Estados Unidos, montando Iron Duck en marzo de 1999.
Barco de hielo
Los diseños de los botes de hielo generalmente son compatibles con tres patines llamados «corredores» que soportan un bastidor triangular o en forma de cruz con el corredor de dirección en la parte delantera. Los corredores están hechos de hierro o acero y afilados hasta un borde fino, casi siempre cortados hasta un borde en ángulo de 90 grados, que se sostiene sobre el hielo, evitando el deslizamiento lateral de la fuerza lateral del viento desarrollada por las velas. Una vez que la fuerza lateral ha sido contrarrestada efectivamente por el borde del corredor, la fuerza restante del «levantamiento de velas» aspira al barco hacia adelante con una potencia significativa. Esa potencia aumenta a medida que aumenta la velocidad de la embarcación, lo que permite que la embarcación vaya mucho más rápido que el viento. Las limitaciones a la velocidad de los botes de hielo son la resistencia al viento, la fricción, la curvatura de la forma de la vela, la resistencia de la construcción y la calidad de la superficie del hielo. Los barcos de hielo pueden navegar tan cerca como 7 grados del viento aparente. Los barcos de hielo pueden alcanzar velocidades tan altas como diez veces la velocidad del viento en buenas condiciones. Los barcos de hielo de DN internacional a menudo alcanzan velocidades de 48 nudos (89 km / h; 55 mph) mientras compiten, y se han registrado velocidades de hasta 59 nudos (109 km / h; 68 mph).
Kite-powered
Los vehículos propulsados por cometas incluyen buggies en los que se puede viajar y tablas en las que se puede soportar mientras se desliza sobre la nieve y el hielo o sobre ruedas sobre la tierra.
Teoría
Una cometa es una lámina de aire atada que crea tanto la elevación como la resistencia, en este caso anclada a un vehículo con una atadura, que guía la cara de la cometa para lograr el mejor ángulo de ataque. La elevación que sostiene la cometa en vuelo se genera cuando el aire fluye alrededor de la superficie de la cometa, produciendo una presión baja por encima y una presión alta por debajo de las alas. La interacción con el viento también genera arrastre horizontal a lo largo de la dirección del viento. El vector de fuerza resultante de los componentes de fuerza de elevación y arrastre se opone a la tensión de una o más de las líneas o ataduras a las que está unida la cometa, lo que alimenta el vehículo.
Kite Buggy
Un kite buggy es un vehículo liviano, construido especialmente para tal fin, impulsado por un kite de potencia. Tiene asiento individual y tiene una rueda delantera orientable y dos ruedas traseras fijas. El conductor se sienta en el asiento ubicado en el centro del vehículo y acelera y ralentiza al aplicar maniobras de dirección en coordinación con las maniobras de vuelo de la cometa. Los buggies pueden llegar a 110 kilómetros por hora (68 mph).
Kite board
Tablas de kite de diferente descripción se utilizan en tierra firme o en la nieve. El kitesurf implica el uso de una tabla de montaña o tabla de tierra: una tabla de skate con grandes ruedas neumáticas y correas para los pies. El snow kiting es un deporte de invierno al aire libre donde la gente usa el poder de la cometa para deslizarse sobre una tabla (o esquís) sobre la nieve o el hielo.
Accionado por rotor
Los vehículos propulsados por rotor son vehículos que usan el viento y usan rotores, en lugar de velas, que pueden tener una cubierta a su alrededor (ventilador conducido) o constituir una hélice sin ductos, y que pueden ajustar la orientación para enfrentar el viento aparente. El rotor se puede conectar mediante un tren de tracción a las ruedas o a un generador que proporciona energía eléctrica a los motores eléctricos que impulsan las ruedas. Otros conceptos utilizan una turbina eólica de eje vertical con perfiles aerodinámicos que giran alrededor de un eje vertical.
Teoría
Gaunaa, et al. Describir la física de los vehículos impulsados por rotor. Describen dos casos, uno desde el punto de vista de la Tierra y el otro desde el punto de vista de la corriente de aire y llegan a las mismas conclusiones de ambos marcos de referencia. Concluyen que (aparte de las fuerzas que resisten el movimiento hacia adelante):
No hay un límite superior teórico para la rapidez con la que una embarcación impulsada por un rotor puede ir directamente contra el viento.
Del mismo modo, no hay un límite superior teórico a la velocidad con la que una embarcación impulsada por un rotor puede ir directamente a favor del viento.
Estas conclusiones son válidas tanto para embarcaciones terrestres como acuáticas.
Los movimientos requeridos para el movimiento de vehículos eólicos (o embarcaciones de agua) son:
Dos masas que se mueven una con respecto a la otra, por ejemplo, el aire (como viento) y la tierra (tierra o agua).
La capacidad de cambiar la velocidad de cualquier masa con un propulsor o una rueda.
En el caso de un vehículo impulsado por un rotor, hay un enlace de transmisión entre el rotor y las ruedas. Dependiendo del marco de referencia, la superficie de la tierra o el movimiento con la masa de aire, la descripción de la energía cinética disponible difiere del vehículo:
Como se ve desde el punto de vista de la Tierra (por ejemplo, por un espectador), el rotor (que actúa como una turbina de viento) desacelera el aire y conduce las ruedas contra la Tierra, que acelera imperceptiblemente.
Como se ve desde el punto de vista de la corriente de aire (por ejemplo, por un globo aerostático), las ruedas impiden que el vehículo desacelere la tierra de manera imperceptible y mueven el rotor (que actúa como una hélice), que acelera el aire y propulsa el vehículo.
La conexión entre las ruedas y el rotor hace que el rotor gire más rápido al aumentar la velocidad del vehículo, lo que permite que las palas del rotor continúen obteniendo una elevación hacia adelante del viento (como se ve desde el suelo) o propulsen el vehículo (como se ve desde la corriente de aire).
En 2009, Mark Drela, un profesor de aeronáutica y astronáutica del MIT, produjo las primeras ecuaciones, lo que demuestra la viabilidad de «Muerto-viento más rápido que el viento (DDWFTTW)». Otros autores han llegado a la misma conclusión.
Vehículos de curso fijo
Varias competiciones se han celebrado para vehículos de rotor. Entre ellos destaca el Racing Aeolus, un evento que se celebra anualmente en los Países Bajos. Las universidades participantes crean entradas para determinar el mejor y más rápido vehículo eólico. Las reglas son que los vehículos viajan sobre ruedas, con un conductor, propulsado por un rotor, acoplado a las ruedas. Se permite el almacenamiento temporal de energía, si está vacío al comienzo de la carrera. La carga del dispositivo de almacenamiento se cuenta como tiempo de carrera. Las carreras tienen lugar hacia el viento. Los vehículos son juzgados por su carrera más rápida, la innovación y los resultados de una serie de carreras de resistencia. En 2008, los participantes fueron de: la Universidad de Stuttgart, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Flensburg, el Centro de Investigación de Energía de los Países Bajos, la Universidad Técnica de Dinamarca, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Kiel y la Universidad Christian Albrechts de Kiel. Dos de los mejores intérpretes han sido «Ventomobile» y Spirit of Amsterdam (1 y 2).
Ventomóvil
El Ventomobile era un vehículo de tres ruedas ligero eólico diseñado por estudiantes de la Universidad de Stuttgart. Tenía un soporte de rotor de fibra de carbono que se dirigía hacia el viento y palas de rotor de inclinación variable que se ajustan a la velocidad del viento. La transmisión de potencia entre el rotor y las ruedas motrices se realizó a través de dos cajas de cambios de bicicleta y una cadena de bicicleta. Ganó el primer premio en el Racing Aeolus celebrado en Den Helder, Países Bajos, en agosto de 2008.
Espíritu de amsterdam
Los vehículos terrestres eólicos Spirit of Amsterdam y Spirit of Amsterdam 2 fueron construidos por Hogeschool van Amsterdam (Universidad de Ciencias Aplicadas de Amsterdam). En 2009 y 2010, el equipo de Spirit of Amsterdam ganó el primer premio en el Racing Aeolus celebrado en Dinamarca. El Spirit of Amsterdam 2 fue el segundo vehículo construido por la furgoneta Hogeschool, Amsterdam. Utilizó una turbina eólica para capturar la velocidad del viento y usó energía mecánica para impulsar el vehículo contra el viento. Este vehículo era capaz de conducir 6,6 metros por segundo (15 mph) con un viento de 10 metros por segundo (22 mph). Una computadora a bordo cambia automáticamente de marcha para lograr un rendimiento óptimo.
Vehículos de linea recta
Algunos vehículos eólicos se construyen únicamente para demostrar un principio limitado, por ejemplo, la capacidad de ir en contra del viento o del viento más rápido que la velocidad del viento que prevalece.
En 1969, Mark Bauer, un ingeniero de túneles de viento de la Douglas Aircraft Company, construyó y demostró un vehículo para ir directamente a sotavento más rápido que la velocidad del viento, que se grabó en un video. Publicó el concepto en el mismo año.
En 2010, Rick Cavallaro, un ingeniero aeroespacial y tecnólogo informático, construyó y probó un vehículo con motor de rotor eólico, Blackbird, en cooperación con el departamento de aviación de la Universidad Estatal de San José en un proyecto patrocinado por Google, para demostrar la posibilidad de ir directamente. A favor del viento más rápido que el viento. Logró dos hitos validados, yendo tanto a favor del viento como contra el viento más rápido que la velocidad del viento predominante.
A favor del viento: en 2010, Blackbird estableció el primer récord mundial certificado para ir a favor del viento más rápido que el viento, utilizando solo energía eólica. El vehículo alcanzó una velocidad a favor del viento de aproximadamente 2.8 veces la velocidad del viento. En 2011, un Blackbird aerodinámico alcanzó casi 3 veces la velocidad del viento.
Viento en popa: en 2012, Blackbird estableció el primer récord mundial certificado para ir directamente en contra del viento más rápido que el viento, utilizando solo energía eólica. El vehículo alcanzó una velocidad máxima en contra del viento de aproximadamente 2.1 veces la velocidad del viento.