Efecto Magnus 5vo4w

EFECTO MAGNUS 1. Introducción El efecto Magnus de denomina así al fenómeno físico en el cual un cuerpo en rotación inmerso en una corriente de aire experimenta una fuerza de sustentación, esta fuerza perpendicular al plano determinado por eje de rotación y la dirección de la corriente libre del fluido. Este efecto fue llamado así en honor al físico y químico alemán Henrich Gustav Magnus que fue el primer investigador en haber estudiado dicho fenómeno en 1853. •

Esta fuerza de sustentación o efecto Magnus puede tener un efecto importante en el movimiento de un cuerpo en rotación que se desplaza en un fluido. Pues es el causante de la desviación de la trayectoria de proyectiles que rotan sobre su eje. También es posible observarlo en las trayectorias de pelotas de tenis, golf, futbol entre otros deportes.

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Existen múltiples aplicaciones del estudio propuesto, como cohetes o lanzadores espaciales, proyectiles aéreos, sondas atmosféricas, objetos arrastrados por el viento en tornados o vendales, y su movimiento y trayectoria, el velo del balasto en las inmediaciones de las vías del tren de alta velocidad, la propulsión de buques, sistema de hipersustentación en perfiles alares etc.

2. ANÁLISIS PARA EL ESTUDIO DEL EFECTO MAGNUS Se tiene que tener en cuenta las consideraciones para el flujo potencial y al aplicarlas a la ecuación de vorticidad de Navier-Stokes se obtiene la condición principal que permite formular un campo escalar que describe el efecto Magnus. Dω = (ω. ∇) u … … … . (1) 𝐷𝑡 la ecuación (1) con la condición de irrotacionalidad queda reducida a 𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑢𝑖 = 𝑖 ≠ 𝑗 … … … . (2) 𝜕𝑥𝑗 𝜕𝑥𝑖 La ecuación (2) garantiza la existencia de una función escalar ϕ llamada potencial de velocidad, la cual se relaciona con las componentes de la velocidad por 𝜕𝜑 1 𝜕𝜑 𝑢𝑟 ≡ 𝑦 𝑢𝜃 ≡ … … … . (3) 𝜕𝑟 𝑟 𝜕𝜃 y una función ψ que a su vez se relaciona con las componentes de la velocidad por 1 𝜕ψ 𝜕ψ 𝑢𝑟 ≡ 𝑦 𝑢𝜃 ≡ − … … … . (4) 𝑟 𝜕𝜃 𝜕𝑟 Ahora bien, el potencial para un cilindro con circulación es:

𝑎2 𝑖Γ ) + ln 𝑧 … … … . (5) 𝑧𝜋 𝜕 Donde a es el radio del cilindro y Γ es la intensidad del vórtice. Las funciones de corriente ψ y velocidad φ son la parte imaginaria y real de la función potencial (ecuación 5) respectivamente. Para calcular el exceso de presión sobre el cilindro hallamos las componentes tangencial y radial de la velocidad en cualquier punto del flujo en coordenadas polares (ecuaciones 3 y 4) 𝑎2 Γ 𝑢𝜃 = −𝑢 (1 + 2 ) sin 𝜃 + … … … . (6) 𝑟 2𝜋𝑟 𝑁 = 𝑢 (𝑧 +

𝑎2 𝑢𝑟 = 𝑢 (1 − 2 ) cos 𝜃 … … … . (7) 𝑟 Evaluando las ecuaciones (6) y (7) en el contorno del cilindro Γ 𝑢𝜃 |𝑟=𝑎 = −2𝑢 sin 𝜃 + … … … . (8) 2𝜋𝑎 𝑢𝑟 |𝑟=𝑎 = 0. … … … . (9) Lo que indica que sólo una componente contribuye a la fuerza de levantamiento, en este caso al efecto Magnus, de la ecuación (8) obtenemos los puntos P de estancamiento Γ sin 𝜃 = … … … . (10) 4𝜋𝑎𝑢 Esta ecuación puede tener solución para dos valores, que en general para un flujo bidimensional son los puntos de estancamiento. La ecuación radial nos indica que hay 3 valores que determinan los puntos de estancamiento (velocidad cero) estos son r=a y 𝜃 = ±𝜋/2, con estos valores se calcula la distancia radial al punto de estancamiento 𝑎2 Γ 𝑢𝜃 |𝜃=𝜋⁄2 = −𝑢 (1 + 2 ) + = 0 … … … . (11) 𝑟 2𝜋𝑟 1 𝑟= [Γ ± √Γ 2 −(4𝜋𝑎𝑢)2 ] … … … . (12) 4𝜋𝑢

se obtiene una raíz para r>a y la otra da un punto de estancamiento dentro del cilindro. Ahora con ayuda de la ecuación de Bernoulli se encuentra la presión 𝜌 𝜌𝑢2 2 (𝑢𝜃| ) 𝑃𝑟=𝑎 + = 𝑃∞ + … … … . (13) 𝑟=𝑎 2 2 𝜌 Γ 2 𝑃𝑟=𝑎 = 𝑃∞ + [𝑢2 − (2𝑢 sin 𝜃 − ) ] … … … . (14) 2 2𝜋𝑎 La simetría del flujo sobre el eje y, implica que la fuerza debida a la presión no tiene componente a lo largo del eje x, entonces 𝑃∞ = 0. La fuerza debida a la presión a lo largo del eje y se llama fuerza de sustentación, esta es: 2𝜋

𝑆 = ∫ 𝑃𝑟=𝑎 𝑎 sin 𝜃 𝑑𝜃 = 𝜌𝑢Γ … … … . (15) 0

en donde la ecuación (14) es sustituida en la ecuación (15), dado que los términos lineal y cúbico dan cero al integrar. Ahora, se calcula la componente para el arrastre de manera similar 2𝜋

𝑆 = ∫ 𝑃𝑟=𝑎 𝑎 cos 𝜃 𝑑𝜃 = 0 … … … . (16) 0

el resultado indica, que para un cilindro con circulación inmerso en un fluido el arrastre es cero, lo cual contradice claramente las observaciones reales.

3. APLICACIONES Proyectiles: Este efecto en proyectiles han sido muy estudiados ya que en la mayoría de los casos son cuerpos cilíndricos de sección circular y su vuelo es de traslación con rotación en un medio de aire móvil, generando así la posibilidad de que se produzca dicho efecto.

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Jacobson en 1973 realiza un extenso estudio para la aplicación en proyectiles y balística, de cuerpos en rotación donde el efecto Magnus

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tiene una gran relevancia en la estabilidad del objeto. Se presentan ensayos en túnel de viento de modelos de cohetes con diferente geometría y que son para distintas utilidades. Así mismo Platou realiza un estudio de proyectiles balísticos con rotación sometidos a velocidades supersónicas. Ericcson en 1989 analiza el desprendimiento del flujo en un modelo de fuselaje cilíndrico circular de una aeronave a altos ángulos de ataque y el efecto que se produce con la rotación del mismo frente a la corriente. Dicho efecto produce desprendimiento asimétrico de la capa límite generando fuerzas laterales en el cuerpo. Swanson, Iversen y Power, realizan una gran variedad de estudios teóricos y analíticos relacionados con misiles, estudiando diferentes ángulos de ataque y generando ecuaciones matemáticas que determinan los coeficientes de sustentación producidos por el efecto Magnus. Vehículos: Diversas aplicaciones se han estudiado en lo que respecta a vehículos, como en barcos y en muchos caso en aeronaves, así como también en el diseño de sistemas de hipersustentación.

Figura 1. Fotografía de un barco propulsado por tres cilindros en rotación

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Modi en 1981 realiza un estudio de perfiles alares en los cuales el borde de ataque y el borde previo a la superficie móvil (alerón o flap) es reemplazado por cilindros con rotación. En el mismo se estudia la distribución de presiones a lo largo del ala, para diferentes ángulos de ataque, diferentes velocidades de rotación de los cilindros y diferentes ángulos de inclinación de la superficie móvil.

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Ericcson [36] en 1995 analiza de manera analítica y experimental la separación y readherencia del flujo en alas de diferentes modelos mediante la utilización de perfiles con bordes de ataque cilíndricos con rotación

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Al Garni publica en el 2000 un estudio experimental en el cual se reemplaza el borde de ataque fijo de un modelo de ala por un cilindro con rotación y se lo ensaya en el túnel de viento para diferentes ángulos de ataque, posición de flaps, velocidad de la corriente y velocidad de giro del cilindro.

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Kano y Yagita [38] en el año 2002 realizaron ensayos experimentales de un cilindro en rotación con el piso del túnel con movimiento, para poder estudiar el efecto suelo que se genera en la cercanía del cilindro.

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A modo informativo, se puede nombrar que a principios de los 80, se diseñó un vehículo de transporte de carga mediante un globo esférico equipado con aletas y motores que se desplazaba mediante la rotación del mismo. Se presentó una publicación en el Journal of Aircraft donde se describen algunas de las características aerodinámicas de la esfera en rotación inmersa en una corriente de aire.

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Deportes: Se han realizado muchos estudios relacionados con los deportes y el movimiento de pelotas en el aire.

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Por ejemplo, Bahill se describe el caso de una pelota de baseball arrojada con velocidad angular y de traslación, y los efectos aerodinámicos que en esta se generan a causa de las condiciones atmosféricas y la altura. Así mismo, Leroy y Hubbard [41] realizaron un estudio del vuelo de la pelota de baseball a partir de la rotación de la misma, considerando todas las fuerzas que están presentes sobre el cuerpo. Generaron visualizaciones con cámaras de alta velocidad y determinaron trayectorias.

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Barber realizó un estudio numérico computacional en CFD donde analiza diferentes tipos de pelotas de fútbol y las clasifica según su terminación superficial. En el mismo analiza patrones de flujo para diferentes velocidades de rotación y traslación. Determina coeficientes aerodinámicos y analiza trayectorias.

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Por otro lado, Kray [44] ha realizado un estudio teórico, numérico y experimental de una esfera en rotación para altos números de Reynolds, donde se analizan los puntos de separación y los patrones de flujo alrededor de la esfera.