Lo que la física de las piedras que saltan puede decirnos sobre los aterrizajes en el agua de los aviones

Agrandar / Los experimentos de físicos chinos han arrojado más luz sobre la intrincada física que implica lanzar una piedra sobre la superficie del agua. Sus hallazgos revelaron factores clave que podrían influir en los aterrizajes acuáticos de los vuelos espaciales después del reingreso.

Aprender a tirar piedras a través de un lago o estanque es una tradición infantil consagrada. La física subyacente de saltar piedras también podría ser un modelo útil para aterrizar aviones o naves espaciales en el agua, según un artículo reciente publicado en la revista Physics of Fluids. Los físicos chinos han construido un modelo de este tipo, y lo utilizaron para aclarar aún más los factores determinantes clave detrás de cuántas veces una piedra (o nave espacial) rebotará al golpear el agua.

Saltar piedras es el tipo de fenómeno cotidiano natural que fascinaría a los físicos, aunque a primera vista los conceptos básicos parece simple. Todo se reduce al giro, la velocidad, la forma de la piedra y el ángulo. Cuando la piedra golpea el agua, la fuerza del impacto empuja parte del agua hacia abajo, por lo que la piedra, a su vez, es empujada hacia arriba. Si la piedra se desplaza lo suficientemente rápido como para alcanzar un umbral de velocidad mínimo, la piedra rebotará; si no, se hundirá. Lo mejor es una piedra redonda y plana, simplemente porque su superficie desplaza más agua a medida que salta.

Experimentos en 2004 de los físicos franceses Lyderic Bocquet y Christophe Clanet demostrado tanto. Construyeron un dispositivo de catapulta para arrojar discos de aluminio a un tanque de agua y luego grabaron las salpicaduras con un video de alta velocidad. Aprendieron que la piedra que rebota debe estar girando a una velocidad mínima de rotación (al menos una vez durante el tiempo de colisión) para mantenerse estable. En otras palabras, una piedra que salta se basa en el efecto giroscópico, en el que un cuerpo que gira alrededor de su propio eje tiende a mantener su propia dirección. (También es lo que evita que una peonza se vuelque). Los saltadores de piedras experimentados suelen aplicar esta rotación a la piedra con un simple movimiento del dedo.

Los experimentos de Bocquet y Clanet les ayudó a determinar cuál es la mejor manera de maximizar el número de rebotes. La solución obvia es lanzar la piedra lo más rápido posible, ya que el número de rebotes es proporcional a la velocidad de lanzamiento. Pero esto debe equilibrarse con la posibilidad de controlar la velocidad y la dirección del lanzamiento. Incluso con su máquina de catapulta, los físicos franceses solo pudieron lograr unos 20 rebotes, significativamente menos que el récord mundial actual de 88 saltos, establecido en 2013.

Obtuvieron más información al examinar qué hace que la piedra deje de saltar. No es porque la piedra se ralentice; más bien, su trayectoria se aplana con el tiempo. Bocquet y Clanet concluyeron que esto ocurre debido al ángulo en el que se mueve la piedra, en relación con la superficie del agua. La piedra desplaza más agua cuando se mueve hacia abajo que cuando se mueve hacia arriba, por lo que con el tiempo se produce cada vez menos transferencia de impulso, reduciendo gradualmente la elevación. Eventualmente, la piedra ya no tiene suficiente energía para saltar y se hundirá. Sus experimentos mostraron que el ángulo óptimo entre el plano de la piedra y la superficie del agua es de entre 10 y 20 grados.

Diagrama esquemático del dispositivo de lanzamiento y primer plano del sistema de adquisición de datos.
Agrandar / Diagrama esquemático del dispositivo de lanzamiento y primer plano del sistema de adquisición de datos.

Kun Zhao

En 2014, un equipo de la Universidad Estatal de Utah experimentó con esferas elásticas que rebotaban en la superficie del agua, capturando la dinámica con una cámara de alta velocidad. Las esferas son más elásticos que las rocas y, por lo tanto, se deforman en discos cuando golpean el agua, adoptando la forma ideal de una piedra que salta. Debido a que las esferas de plástico pueden deformarse independientemente del ángulo en el que golpean el agua y tienen un umbral de velocidad más bajo, lograr más rebotes con ellas es mucho más fácil. De hecho, cualquiera puede lograr unos buenos 20 saltos con una esfera de plástico después de tan solo 10 minutos de práctica. de acuerdo a Tadd Truscott, físico y coautor de la USU.

Más allá del factor diversión, hay una larga historia de científicos que aplican las lecciones de saltar piedras a aplicaciones del mundo real. Alrededor de 1578, por ejemplo, matemático William Bourne señaló que las balas de cañón disparadas desde los barcos en un ángulo suficientemente bajo podrían rebotar en la superficie del agua, rebotar en las cubiertas y romper los mástiles de los barcos objetivo. Y durante la Segunda Guerra Mundial, el ingeniero británico Barnes Wallis se le ocurrió el infame diseño de “bomba que rebota”, en el que el arma rebotó en el agua antes de golpear el objetivo, luego se hundió y explotó bajo el agua, similar a una carga de profundidad. La Royal Air Force utilizó bombas de rebote contra Alemania en 1943.

Más directamente relevante para el artículo actual, en 1929, Teodoro de Karman llevó a cabo varios experimentos para determinar la presión máxima sobre los hidroaviones durante los aterrizajes en agua, y en 1932, Herbert Wagner mostró que el despegue y aterrizaje de un hidroavión se trataba esencialmente de impactos y deslizamientos sobre una superficie líquida. “[Wagner] señaló que los procesos de impacto están predeterminados únicamente por el movimiento inicial del líquido y el curso del movimiento del cuerpo “, escribieron los coautores chinos de este último artículo en su introducción.

Para su nueva investigación, el equipo chino se centró en rebotar (saltar) y surfear, en los que el disco o la piedra roza la superficie y nunca rebota. Los investigadores idearon su propio modelo teórico del fenómeno que incorporó no solo el efecto giroscópico antes mencionado, sino también el Efecto Magnus. Se sabe desde hace mucho tiempo que movimiento de una pelota de béisbol, por ejemplo, crea un remolino de aire a su alrededor. Las costuras elevadas agitan el aire alrededor de la pelota, creando zonas de alta presión en varios lugares (dependiendo del tipo de lanzamiento) que pueden causar desviaciones en su trayectoria. Algo similar ocurre con las piedras que saltan.

Cronofotografía de la piedra que salta, obtenida con un disco de aluminio.
Agrandar / Cronofotografía de la piedra que salta, obtenida con un disco de aluminio.

Jie Tang et al./Physics of Fluids 2021

Para probar su modelo, los científicos chinos crearon una configuración experimental que incluía un disco de aluminio plano y un sistema de lanzamiento con un motor sin escobillas para garantizar que el disco pudiera alcanzar las velocidades necesarias. El sistema de lanzamiento utilizó bocanadas de aire de un compresor para controlar la velocidad del disco mientras viajaba hacia el agua. Los investigadores colocaron una tapa de nailon en el disco y lo conectaron al lanzador a través de una base magnética. La tapa también contenía un módulo de navegación inercial para medir y recopilar los datos durante el lanzamiento, el “vuelo” y el aterrizaje, transmitiendo esos datos a una computadora a través de una conexión Bluetooth.

El equipo descubrió que el umbral crítico para la aceleración vertical es cuatro veces la aceleración debida a la gravedad (4 g). Es más probable que el disco o piedra surfeará si la aceleración vertical es un poco menor (3,8 g), mientras que el umbral mínimo en el que una piedra tiene el potencial de saltar es 3,05 g.

Los investigadores también determinaron que es la combinación del efecto giroscópico y el efecto Magnus, ambos producidos cuando la piedra giratoria golpea el fluido, lo que influye en la desviación de su trayectoria. La dirección de esa desviación, a su vez, está controlada por la dirección de rotación de la piedra (en sentido horario o antihorario). Si la piedra gira en el sentido de las agujas del reloj, la desviación se dobla hacia la derecha; si es en sentido antihorario, la desviación se dobla hacia la izquierda. El giro ayuda a estabilizar el ángulo de ataque, creando así condiciones favorables para el rebote continuo de la piedra.

Por lo tanto, “ángulos de ataque apropiados y velocidades horizontales son los factores clave para generar suficientes fuerzas hidrodinámicas para satisfacer las condiciones de rebote”, concluyeron los autores. “Nuestros resultados brindan una nueva perspectiva para avanzar en estudios futuros en ingeniería aeroespacial y marina”, agregó coautor Kung Zhao del Instituto de Ingeniería Electromecánica de Beijing. Esa perspectiva es más notable con respecto a los aterrizajes en el agua de los vehículos y aviones de reentrada de vuelos espaciales, así como el “golpe de casco” (empujar el casco de un barco hacia la sección transversal del casco de otro barco) y la mejora de los diseños de torpedos.

DOI: Física de fluidos, 2021. 10.1063 / 5.0040158 (Acerca de los DOI).


Source: Ars Technica by arstechnica.com.

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