Veículos movidos a vento obtêm seu poder de velas, papagaios ou rotores e andam sobre rodas – que podem estar ligados a um rotor movido a vento – ou corredores. Quer seja alimentado por vela, pipa ou rotor, esses veículos compartilham um traço comum: à medida que o veículo aumenta de velocidade, o aerofólio que avança encontra um vento aparente crescente em um ângulo de ataque cada vez menor. Ao mesmo tempo, esses veículos estão sujeitos a uma resistência relativamente baixa, em comparação com embarcações tradicionais à vela. Como resultado, tais veículos são frequentemente capazes de velocidades superiores às do vento.
Exemplos de motores rotativos demonstraram velocidades de avanço que excedem a velocidade do vento, tanto diretamente no vento quanto diretamente no sentido do vento, transferindo energia através de um trem de acionamento entre o rotor e as rodas. O recorde de velocidade movido pelo vento é feito por um veículo com uma vela, o Greenbird, com uma velocidade máxima de 202,9 quilômetros por hora (126,1 mph).
Outros transportes movidos pelo vento incluem navios à vela que viajam na água e balões e planadores que viajam no ar, todos os quais estão além do escopo deste artigo.
Vela-powered
Veículos movidos a vela viajam por terra ou gelo a velocidades de vento aparentes que são mais altas do que a velocidade real do vento, quase na maior parte dos pontos de navegação. Tanto os iates quanto os barcos de gelo têm baixa resistência à velocidade e alta resistência lateral aos movimentos laterais.
Teoria
As forças aerodinâmicas nas velas dependem da velocidade e direção do vento e da velocidade e direção da embarcação (VB). A direção que a nave está percorrendo em relação ao vento verdadeiro (a direção e velocidade do vento sobre a superfície – VT) é chamada de ponto da vela. A velocidade da embarcação em um determinado ponto da vela contribui para o vento aparente (VA) – a velocidade e a direção do vento, conforme medido na nave em movimento. O vento aparente na vela cria uma força aerodinâmica total, que pode ser resolvida em arrasto – o componente de força na direção do vento aparente – e levante – o componente de força normal (90 °) em relação ao vento aparente. Dependendo do alinhamento da vela com o vento aparente, levantar ou arrastar pode ser o componente propulsivo predominante. A força aerodinâmica total também se resolve em uma força motriz dianteira, propulsora – resistida pelo meio através do qual a nave está passando (por exemplo, através da água, ar ou gelo, areia) – e uma força lateral, resistida pelas rodas ou corredores de gelo do veículo.
Como os veículos movidos pelo vento navegam tipicamente em ângulos de vento aparentes alinhados com a borda dianteira da vela, a vela atua como um aerofólio e a elevação é o componente predominante da propulsão. A baixa resistência de movimento, altas velocidades sobre a superfície e alta resistência lateral ajudam a criar altas velocidades aparentes de vento – com um alinhamento mais próximo do vento aparente ao trajeto percorrido pela maioria dos pontos de vela – e permitem que veículos movidos pelo vento alcancem velocidades mais altas que embarcações à vela convencionais.
Iate terrestre
A vela terrestre evoluiu de uma novidade, desde os anos 50, principalmente para um esporte. Os veículos usados na navegação são conhecidos como iates terrestres ou de areia. Eles normalmente têm três (às vezes quatro) rodas e funcionam muito como um veleiro, exceto que eles são operados a partir de uma posição sentada ou deitada e dirigidos por pedais ou alavancas de mão. Terra vela é mais adequada para áreas planas ventosas; as corridas ocorrem frequentemente em praias, campos de pouso e leitos de lagos secos em regiões desérticas.
Greenbird, um veículo movido a vela patrocinado pela Ecotricity, quebrou o recorde mundial de velocidade terrestre para um veículo movido a vento em 2009 com uma velocidade máxima de 202,9 quilômetros por hora, superando o recorde anterior de 116 milhas por hora (187 km / h), estabelecido por Schumacher dos Estados Unidos, pilotando Iron Duck em março de 1999.
Barco de gelo
Os projetos de barcos a gelo são geralmente suportados por três lâminas de skate chamadas “corredores” que sustentam uma armação triangular ou em forma de cruz com o corredor de direção na frente. Os corredores são feitos de ferro ou aço e afiados até uma borda fina, geralmente cortados em uma borda angular de 90 graus, que prende o gelo, impedindo o deslizamento lateral da força lateral do vento desenvolvida pelas velas. Uma vez que a força lateral tenha sido efetivamente combatida pela borda do corredor, a força restante do “veleiro” aspira o barco para frente com potência significativa. Esse poder aumenta à medida que a velocidade do barco aumenta, permitindo que o barco ande muito mais rápido que o vento. Limitações à velocidade do iceboat são o vento, a fricção, a curvatura da forma da vela, a força de construção e a qualidade da superfície do gelo. Os barcos a gelo podem navegar a até 7 graus do vento aparente. Os barcos de gelo podem atingir velocidades tão altas quanto dez vezes a velocidade do vento em boas condições. Os iceboats DN internacionais geralmente atingem velocidades de 48 nós (89 km / h; 55 mph) durante a corrida, e velocidades de até 59 nós (109 km / h; 68 mph) foram registradas.
Kite-powered
Os veículos movidos a pipas incluem buggies nos quais se pode montar e pranchas nas quais se pode ficar em pé enquanto desliza sobre a neve e o gelo ou rola sobre a terra.
Teoria
Uma pipa é uma folha de ar amarrada que cria tanto a sustentação quanto a resistência, neste caso ancorada a um veículo com uma corda, que guia a face da pipa para obter o melhor ângulo de ataque. O elevador que sustenta o kite em vôo é gerado quando o ar flui ao redor da superfície do kite, produzindo baixa pressão acima e alta pressão abaixo das asas. A interação com o vento também gera arrasto horizontal ao longo da direção do vento. O vector de força resultante dos componentes de elevação e força de arrasto é oposto à tensão de uma ou mais das linhas ou amarras às quais o papagaio está ligado, alimentando assim o veículo.
Kite buggy
Um buggy de pipa é um veículo leve e construído especificamente para propulsão de um power kite. É unilateral e tem uma roda dianteira orientável e duas rodas traseiras fixas. O motorista senta-se no assento localizado no meio do veículo e acelera e desacelera aplicando manobras de direção em coordenação com as manobras de vôo da pipa. Buggies pipa pode atingir 110 quilômetros por hora (68 mph).
Kite Board
Kite boards de descrição diferente são usados em terra firme ou na neve. O landboarding de pipas envolve o uso de um quadro de montanhas ou de um quadro de terra – um skate com grandes rodas pneumáticas e alças para os pés. Snow kiting é um esporte de inverno ao ar livre onde as pessoas usam o poder do kite para planar sobre uma prancha (ou esquis) sobre neve ou gelo.
Alimentado por rotor
Os veículos movidos a rotor são veículos movidos a vento que usam rotores – em vez de velas – que podem ter uma cobertura em torno deles (ventilador canalizado) ou constituir uma hélice sem carga, e que podem ajustar a orientação para enfrentar o vento aparente. O rotor pode ser conectado por meio de um trem de acionamento a rodas ou a um gerador que fornece energia elétrica a motores elétricos que acionam as rodas. Outros conceitos usam uma turbina eólica de eixo vertical com aerofólios que giram em torno de um eixo vertical.
Teoria
Gaunaa et al. descrever a física dos veículos movidos a rotor. Eles descrevem dois casos, um do ponto de vista da terra e outro do ponto de vista da corrente de ar e chegam às mesmas conclusões de ambos os quadros de referência. Eles concluem que (além das forças que resistem ao movimento para a frente):
Não há limite máximo teórico para a rapidez com que uma embarcação dirigida por rotor pode ir diretamente contra o vento.
Da mesma forma, não há limite superior teórico para a rapidez com que uma nave movida a rotor pode ir diretamente a favor do vento.
Estas conclusões são válidas para embarcações terrestres e aquáticas.
Necessário para o movimento de veículos movidos a vento (ou embarcações de água) são:
Duas massas movendo-se em relação umas às outras, por exemplo, o ar (como o vento) e a terra (terra ou água).
A capacidade de alterar a velocidade de qualquer massa com uma hélice ou uma roda.
No caso de um veículo movido a rotor, existe uma ligação entre o rotor e as rodas. Dependendo do quadro de referência de uma pessoa – a superfície da Terra ou movendo-se com a massa de ar – a descrição de como a energia cinética disponível alimenta o veículo difere:
Como visto do ponto de vista da terra (por exemplo, por um espectador), o rotor (atuando como uma turbina eólica) desacelera o ar e impulsiona as rodas contra a terra, que ele acelera imperceptivelmente.
Como visto do ponto de vista do fluxo de ar (por exemplo, por um balonista), as rodas impedem o veículo – desacelerando a terra imperceptivelmente – e acionam o rotor (atuando como uma hélice), que acelera o ar e impulsiona o veículo.
A conexão entre as rodas e o rotor faz com que o rotor gire mais rápido com o aumento da velocidade do veículo, permitindo que as pás do rotor continuem a elevar-se do vento (como visto do solo) ou a impulsionar o veículo (conforme visto no fluxo de ar).
Em 2009, Mark Drela – um professor de aeronáutica e astronáutica do MIT – produziu as primeiras equações, demonstrando a viabilidade de “Dead-Downwind Faster Than The Wind (DDWFTTW)”. Outros autores chegaram à mesma conclusão.
Veículos de curso fixo
Várias competições foram realizadas para veículos movidos a rotor. Entre eles, destaca-se o Racing Aeolus, evento realizado anualmente na Holanda. As universidades participantes criam entradas para determinar o melhor e mais veloz veículo movido a vento. As regras são que os veículos andem sobre rodas, com um motorista, impulsionado por um rotor, acoplado às rodas. O armazenamento temporário de energia é permitido, se vazio no início da corrida. O carregamento do dispositivo de armazenamento é contado como tempo de corrida. Corrida acontece em direção ao vento. Os veículos são julgados por sua corrida mais rápida, inovação e os resultados de uma série de corridas de arrancada. Em 2008, os participantes eram da Universidade de Stuttgart, da Universidade de Ciências Aplicadas de Flensburg, do Centro de Pesquisa de Energia da Holanda, da Universidade Técnica da Dinamarca, da Universidade de Ciências Aplicadas de Kiel e da Christian Albrechts University of Kiel. Dois dos melhores artistas foram o “Ventomobile” e o Spirit of Amsterdam (1 e 2).
Ventomóvel
O Ventomobile era um triciclo leve movido a vento projetado por estudantes da Universidade de Stuttgart. Ele tinha um suporte de rotor de fibra de carbono que era direcionado para o vento e pás de rotor de inclinação variável que se ajustavam à velocidade do vento. A transmissão de energia entre o rotor e as rodas motrizes era feita através de duas caixas de câmbio de bicicletas e uma corrente de bicicleta. Ganhou o primeiro prêmio no Racing Aeolus, realizado em Den Helder, Holanda, em agosto de 2008.
Espírito de Amesterdão
Os veículos terrestres movidos a vento Spirit of Amsterdam e Spirit of Amsterdam 2 foram construídos pela Hogeschool van Amsterdam (Universidade de Ciências Aplicadas de Amsterdã). Em 2009 e 2010, a equipe Spirit of Amsterdam ganhou o primeiro prêmio no Racing Aeolus, realizado na Dinamarca. O Spirit of Amsterdam 2 foi o segundo veículo construído pela van Hogeschool, em Amsterdã. Usou uma turbina eólica para capturar a velocidade do vento e usou a energia mecânica para impulsionar o veículo contra o vento. Este veículo era capaz de dirigir 6,6 metros por segundo (15 mph) com um vento de 10 metros por segundo (22 mph). Um computador de bordo mudava de marcha automaticamente para obter um ótimo desempenho.
Veículos em linha reta
Alguns veículos movidos pelo vento são construídos apenas para demonstrar um princípio limitado, por exemplo, a capacidade de ir contra o vento ou a favor do vento mais rápido do que a velocidade do vento predominante.
Em 1969, Mark Bauer – um engenheiro de túnel de vento da Douglas Aircraft Company – construiu e demonstrou um veículo para ir diretamente a favor do vento mais rápido que a velocidade do vento, que foi registrada em um vídeo. Ele publicou o conceito no mesmo ano.
Em 2010, Rick Cavallaro – engenheiro aeroespacial e tecnólogo de informática – construiu e testou um veículo movido a vento, Blackbird, em cooperação com o departamento de aviação da San Jose State University em um projeto patrocinado pelo Google, para demonstrar a viabilidade de ir diretamente a favor do vento mais rápido que o vento. Ele alcançou dois marcos validados, indo diretamente a favor do vento e contra o vento mais rápido que a velocidade do vento predominante.
Downwind – Em 2010, o Blackbird estabeleceu o primeiro recorde certificado do mundo para ir diretamente a favor do vento mais rápido que o vento, usando apenas energia eólica. O veículo alcançou uma velocidade morta a favor do vento de cerca de 2,8 vezes a velocidade do vento. Em 2011, um Blackbird simplificado chegou perto de 3 vezes a velocidade do vento.
Upwind – Em 2012, o Blackbird estabeleceu o primeiro recorde certificado do mundo para ir diretamente contra o vento mais rápido que o vento, usando apenas energia eólica. O veículo alcançou uma velocidade morta a favor do vento de cerca de 2,1 vezes a velocidade do vento.