Il tunnel climatico di Vienna consente agli ingegneri di esporre i soggetti di prova a temperature estreme. È uno dei pochi tunnel al mondo in grado di ospitare vagoni ferroviari a grandezza naturale. Per gentile concessione di RTA L'umanità ha sempre invidiato gli uccelli. Potremmo passare la parte mangia-verme, ma la loro padronanza del volo ha contribuito a suscitare il nostro desiderio di librarsi nei cieli. A vari livelli, le persone hanno realizzato il sogno del volo. Ma 727, missili, Navicelle spaziali, auto da corsa ultra veloci, motoscafi, biciclette da corsa e persino tipi di chip per computer potrebbero non essere mai stati realizzati se non fosse stato per uno sviluppo tecnologico correlato:la galleria del vento.
Gallerie del vento vengono utilizzati dagli ingegneri per testare l'aerodinamica di molti oggetti, dalle ali dei jet ai parabrezza delle auto. Aerodinamica come scienza studia il flusso di aria o gas intorno a un oggetto in movimento. Con una migliore comprensione del modo in cui l'aria si muove intorno (o attraverso) gli oggetti, i produttori possono ideare e creare più velocemente, più sicuro, prodotti più affidabili ed efficienti di ogni tipo.
dall'ondeggiare, brezze instabili a raffiche di uragano, Il vento di Madre Terra è una condizione notoriamente volubile, e quindi, praticamente inutile per i test aerodinamici. Gallerie del vento, d'altra parte, fornire un ambiente controllato per questo tipo di test.
Le gallerie del vento sono semplicemente tubi cavi; ad un'estremità, hanno potenti ventilatori che creano un flusso d'aria all'interno del tunnel. Alcuni tunnel hanno le dimensioni di un desktop e sono adatti per testare solo oggetti molto piccoli. Altri tunnel sono strutture massicce in cui gli ingegneri testano aerei e automobili a grandezza naturale. Sebbene i materiali di prova (di solito) rimangano fermi, il rapido flusso d'aria all'interno del tunnel fa sembrare che gli oggetti si muovano.
Tipicamente, ci sono sensori e strumenti all'interno delle gallerie del vento che forniscono agli scienziati dati concreti sull'interazione di un oggetto con il vento. E spesso, ci sono finestre che consentono a quegli stessi scienziati di osservare visivamente gli esperimenti. Con questi dati e osservazioni, gli ingegneri sono alle prese con variabili dell'aerodinamica come la pressione, velocità, temperatura e densità. Misurano l'ascensore, lagna, onde d'urto e altre condizioni che influenzano gli aerei e altri aggeggi che sfrecciano nel vento. Inoltre, questi tunnel possono aiutare gli ingegneri a capire come il vento interagisce con gli oggetti stazionari, come edifici e ponti, e trovare modi per renderli più forti e più sicuri.
In breve, molte delle nostre meraviglie moderne sono più avanzate grazie alle gallerie del vento. Ma è stato il sogno del volo che per primo ha dato respiro a queste macchine ariose. Prossimo, leggerete come le gallerie del vento sono arrivate sulla scena e come funzionano esattamente. Prendi prima una presa a doppio pugno sul tuo cappello, anche se, perché questo è un argomento che potrebbe sbalordirti.
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I primi progetti di aerei e alianti avevano molte caratteristiche simili a quelle degli uccelli. Le gallerie del vento hanno dimostrato che molte di queste idee erano piuttosto ingegnose. Stringer/Hulton Archive/Getty Images Nella speranza di portare gli umani in paradiso, i primi ingegneri di volo cercarono di seguire l'esempio degli uccelli. Leonardo Da Vinci, ad esempio, abbozzò un cosiddetto "ornitottero" nel 1485. Eppure i nostri amici alati si dimostrarono poco utili quando si trattava di rivelare i segreti del volo. Numerosi inventori hanno fabbricato macchine ispirate agli uccelli, solo per vederli ciondolare impotenti nella sporcizia.
Divenne chiaro che per far volare gli umani, avevano bisogno di una migliore comprensione dell'interazione tra ali e venti. Così, questi principianti amanti del volo andarono alla ricerca delle cime delle colline, valli e grotte con potenti, venti alquanto prevedibili. Ma i venti naturali non fornivano il flusso costante in grado di offrire un utile feedback di progettazione:i venti artificiali erano necessari.
Entrano le braccia vorticose. Nel 1746, Benjamin Robins, un matematico e scienziato inglese, attaccato un braccio orizzontale a un palo verticale, che ha girato, mandando il braccio a girare in cerchio. Alla fine del braccio, ha apposto una varietà di oggetti e li ha sottoposti alle forze della sua centrifuga fatta in casa. I suoi test confermarono immediatamente che la forma delle cose aveva un enorme effetto sulla resistenza dell'aria (nota anche come lagna, un elemento di forza aerodinamica).
Altri sperimentatori, come Sir George Cayley, presto costruito braccia vorticose. Cayley, in particolare, testato profilo alare forme, che somigliava molto alla sezione trasversale di un'ala di aeroplano, per indagare i principi di resistenza e sollevamento . La portanza è un elemento di forza che si muove perpendicolarmente alla direzione del movimento di un oggetto.
Il braccio rotante ha avuto un grave effetto collaterale, però, in quanto sminuzzava l'aria mentre girava, fondamentalmente creando turbolenze infernali che hanno avuto un grande impatto su tutti i risultati e le osservazioni. Ma il braccio ha portato a una svolta monumentale:gli ingegneri hanno iniziato a rendersi conto che spingendo rapidamente un oggetto in aria, potrebbero sviluppare portanza. Ciò significava che non era necessario costruire ali battenti per volare. Anziché, gli umani avevano bisogno di potenza sufficiente e del giusto tipo di costruzione delle ali. Gli scienziati avevano bisogno di strumenti investigativi migliori per risolvere queste importanti domande. Le gallerie del vento erano la risposta.
Nella pagina successiva, scoprirai come le braccia rotanti si sono evolute in gallerie del vento e vedrai come quei tunnel sono stati fondamentali per uno dei più grandi successi tecnologici nella storia dell'umanità.
La galleria del vento costruita dai fratelli Wright ha contribuito a cambiare il corso della storia tecnologica umana. Stringer/Hulton Archive/Getty Images Perché le braccia vorticose tagliavano l'aria e creavano una scia che invalidava molti esperimenti, gli scienziati avevano bisogno di più calma, venti artificiali. Frank H. Wenham, un inglese attivo con l'Aeronautical Society of Great Britain, convinse l'organizzazione a finanziare la costruzione della prima galleria del vento, che ha debuttato nel 1871.
Il tunnel di Wenham era lungo 12 piedi (3,7 metri) e 18 pollici (45,7 centimetri) quadrati. Produceva venti di 40 miglia all'ora (64 chilometri all'ora), grazie ad un ventilatore a vapore in fondo al tunnel. Nel suo tunnel, Wenham ha testato gli effetti di portanza e trascinamento su profili alari di forme diverse. Mentre spostava il bordo anteriore (chiamato bordo d'attacco ) del profilo alare su e giù, cambiando quello che si chiama il angolo di attacco, scoprì che certe forme portavano a una portanza migliore del previsto. Il volo a propulsione umana sembrava improvvisamente più possibile che mai.
Tuttavia, il design approssimativo del tunnel ha creato venti troppo instabili per risultati di test coerenti. Erano necessari tunnel migliori per test sistematici e risultati affidabili. Nel 1894, L'inglese Horatio Philips ha sostituito i ventilatori con un sistema di iniezione di vapore, risultando più stabile, flusso d'aria meno turbolento.
Attraverso l'Oceano Atlantico, nell'Ohio, i fratelli Wright, Orville e Wilbur, seguivano gli sviluppi negli studi sull'aerodinamica e trovavano idee per i progetti di alianti. Ma i test nel mondo reale dei loro modelli si stavano rivelando troppo dispendiosi in termini di tempo; inoltre non ha fornito loro dati sufficienti per migliorare i loro piani.
Sapevano di aver bisogno di una galleria del vento. Così, dopo un po' di tentativi, hanno costruito un tunnel con una sezione di prova di 16 pollici (40,6 centimetri). Hanno sperimentato circa 200 diversi tipi di forme di ali attaccando i profili alari a due bilancieri:uno per la resistenza, e uno per l'ascensore. Le bilance hanno convertito le prestazioni del profilo alare in un'azione meccanica misurabile che i fratelli hanno usato per completare i loro calcoli.
Lentamente, hanno lavorato per trovare la giusta combinazione di resistenza e sollevamento. Cominciarono a rendersi conto che stretto, le ali lunghe hanno portato a una portanza molto maggiore di quelle corte, ali spesse, e nel 1903, i loro meticolosi test in galleria del vento hanno dato i loro frutti. I fratelli Wright volarono con il primo equipaggio, aereo a motore a Kill Devil Hills, N.C. Era iniziata una nuova era di innovazione tecnologica, in gran parte grazie alle gallerie del vento.
Prossimo, vedrai esattamente come le gallerie del vento fanno funzionare la loro magia invisibile e aiutano a far entrare l'umanità in una nuova era tecnologica.
Ecco un pratico diagramma per aiutarti a visualizzare le parti componenti di una galleria del vento. Come funzionano le cose Le prime gallerie del vento erano solo dei condotti con i ventilatori a un'estremità. Questi tunnel hanno reso instabile, aria irregolare, quindi gli ingegneri hanno lavorato costantemente per migliorare il flusso d'aria modificando i layout dei tunnel. I tunnel moderni forniscono un flusso d'aria molto più fluido grazie a un design fondamentale che incorpora cinque sezioni di base:la camera di sedimentazione, cono di contrazione, sezione di prova, diffusore e sezione di azionamento.
L'aria è un vortice, caos caotico mentre entra nel tunnel. Il camera di decantazione fa esattamente quello che suggerisce il suo nome:aiuta a stabilizzare e raddrizzare l'aria, spesso attraverso l'utilizzo di pannelli con fori a nido d'ape o addirittura di una rete a rete. L'aria viene quindi immediatamente forzata attraverso il cono di contrazione , uno spazio ristretto che aumenta notevolmente la velocità del flusso d'aria.
Gli ingegneri posizionano i loro modelli in scala nel sezione di prova , è qui che i sensori registrano i dati e gli scienziati fanno osservazioni visive. L'aria successivamente fluisce nel diffusore , che ha una forma conica che si allarga, e quindi, rallenta dolcemente la velocità dell'aria senza causare turbolenze nella sezione di prova.
Il sezione di guida ospita la ventola assiale che crea un flusso d'aria ad alta velocità. Questo ventilatore è sempre posto a valle della sezione di prova, alla fine del tunnel, piuttosto che all'ingresso. Questa configurazione consente alla ventola di tirare l'aria in un flusso regolare invece di spingerla, che comporterebbe un flusso d'aria molto più mosso.
La maggior parte delle gallerie del vento sono solo lunghe, scatole diritte, o circuito aperto (aperta-ritorno) tunnel. Però, alcuni sono integrati Chiuso circuiti (o ritorno chiuso), che sono fondamentalmente degli ovali che mandano l'aria intorno e intorno allo stesso percorso, come una pista, utilizzando palette e pannelli a nido d'ape per guidare e dirigere con precisione il flusso.
Le pareti del tunnel sono estremamente lisce perché eventuali imperfezioni potrebbero fungere da dossi e causare turbolenze. La maggior parte delle gallerie del vento sono anche di dimensioni moderate e abbastanza piccole da poter essere inserite in un laboratorio di scienze universitarie, il che significa che gli oggetti di prova devono essere ridimensionati per adattarsi al tunnel. Questi modelli in scala potrebbero essere interi aeroplani in miniatura, costruito (a grande spesa) con precisione rigorosa. Oppure potrebbero essere solo una singola parte di un'ala di aeroplano o un altro prodotto.
Gli ingegneri montano i modelli nella sezione di prova utilizzando metodi diversi, ma di solito, i modelli sono tenuti fermi utilizzando fili o pali metallici, che sono posizionati dietro il modello per evitare di causare interruzioni nel flusso d'aria Possono collegare sensori al modello che registrano la velocità del vento, temperatura, pressione dell'aria e altre variabili.
Continua a leggere per saperne di più su come le gallerie del vento aiutano gli scienziati a mettere insieme enigmi aerodinamici più complicati e su come le loro scoperte stimolino i progressi tecnologici.
Il fumo fornisce la visualizzazione del flusso in modo che gli scienziati possano vedere come l'aria si muove attorno all'oggetto di prova. Bill Pugliano/Notizie/Getty Images Portanza e resistenza sono solo due elementi delle forze aerodinamiche che entrano in gioco all'interno di una galleria del vento. In particolare per i test sugli aerei, ci sono dozzine di variabili (come passo, imbardata, rotolo e molti altri), che possono influenzare l'esito degli esperimenti.
Durante il test entrano in gioco anche altri fattori, indipendentemente dal soggetto del test. Per esempio, la qualità dell'aria nel tunnel è variabile e ha un'influenza enorme sui risultati dei test. Oltre a valutare con attenzione la forma e la velocità dell'oggetto (o il vento che soffia oltre l'oggetto), i tester devono considerare il viscosità (o appiccicosità) e comprimibilità (rimbalzo) dell'aria durante i loro esperimenti.
Normalmente non si pensa all'aria come a una sostanza appiccicosa, Certo, ma come l'aria si muove su un oggetto, le sue molecole colpiscono la sua superficie e vi si aggrappano, se solo per un istante. Questo crea un strato limite , uno strato d'aria vicino all'oggetto che influisce sul flusso d'aria, proprio come fa l'oggetto stesso. Altitudine, temperatura, e altre variabili possono influenzare la viscosità e la compressibilità, che a sua volta modifica le proprietà del livello limite e trascina, e l'aerodinamica dell'oggetto di prova nel suo insieme.
Per capire in che modo tutte queste condizioni influiscono sull'oggetto di prova è necessario un sistema di sensori e computer per la registrazione dei dati dei sensori. tubi di Pitot sono utilizzati per misurare la velocità del flusso d'aria, ma si dispiegano tunnel avanzati anemometri laser che rilevano la velocità del vento "vedendo" le particelle sospese nell'aria nel flusso d'aria. Sonde di pressione monitorare la pressione dell'aria e pressione del vapore acqueo i sensori tracciano l'umidità.
Oltre ai sensori, anche le osservazioni visive sono estremamente utili, ma per rendere visibile il flusso d'aria, gli scienziati si affidano a vari visualizzazione del flusso tecniche. Possono riempire la sezione di prova con fumo colorato o una sottile nebbia di liquido, come l'acqua, per vedere come l'aria si muove sul modello. Possono applicare spessi, oli colorati al modello per vedere come il vento spinge l'olio lungo la superficie del modello.
Le videocamere ad alta velocità possono registrare il fumo o gli oli mentre si muovono per aiutare gli scienziati a rilevare indizi che non sono ovvi a occhio nudo. In alcuni casi, i laser vengono utilizzati per illuminare nebbia o fumo e rivelare i dettagli del flusso d'aria.
Le gallerie del vento offrono infinite configurazioni per testare idee e concetti illimitati. Continua a leggere, e vedrai i tunnel selvaggiamente fantasiosi che gli ingegneri costruiscono quando trovano i soldi per trasformare una brezza di un'idea in una tempesta tecnologica su vasta scala.
I tunnel supersonici e ipersonici non usano i ventilatori. Per generare queste velocità dell'aria vertiginose, gli scienziati utilizzano getti di aria compressa immagazzinati in serbatoi pressurizzati posti a monte della sezione di prova, ecco perché a volte vengono chiamati radere al suolo tunnel. Allo stesso modo, a volte vengono chiamati tunnel ipersonici tubi d'urto, un riferimento alle esplosioni potenti ma molto brevi che producono. Entrambi hanno enormi requisiti di alimentazione, che generalmente li rendono migliori per test brevi o intermittenti.
Le capacità di pressione dell'aria differenziano anche le gallerie del vento. Alcuni tunnel hanno controlli per abbassare o aumentare la pressione dell'aria. Per esempio, nei test di veicoli spaziali, La NASA potrebbe creare un tunnel per imitare l'atmosfera a bassa pressione di Marte.
Puoi anche classificare i tunnel in base alle dimensioni. Alcuni sono relativamente piccoli, e quindi, sono utili solo per testare modelli ridotti o sezioni di un oggetto. Altri sono in scala reale e abbastanza grandi per testare veicoli di dimensioni normali.
E alcune gallerie del vento sono solo... beh, veramente grande.
Centro di ricerca Ames della NASA, vicino a San José, La California ospita la più grande galleria del vento del mondo. È alto circa 180 piedi (54,8 metri), più di 1, 400 piedi (426,7 metri) di lunghezza, con una sezione di prova alta 80 piedi (24 metri) e larga 120 piedi (36,5 metri), abbastanza grande da ospitare un aereo con un'apertura alare di 30 metri. Il tunnel utilizza sei, ventilatori a quattro piani, ciascuno guidato da sei 22, Motori da 500 cavalli in grado di guidare venti fino a 115 mph (185 kph).
Le dimensioni non sono l'unico fattore in gallerie del vento straordinarie. Continua a leggere, e scoprirai quanto sono moderni alcuni di questi tunnel.
Turbine fai da teLe gallerie del vento non sono solo per professionisti. Puoi trovare piani online per costruire la tua galleria del vento a casa, o anche acquistare kit con tutte le parti necessarie incluse. Esistono molti tipi di gallerie del vento per tutti i tipi di scopi diversi. Questi tunnel sono classificati in base alle loro caratteristiche, come la velocità del vento che generano nella sezione di prova.
Subsonico le gallerie del vento testano oggetti con flussi d'aria inferiori a 250 mph (402 kph). Transonico i tunnel coprono i tunnel coprono una gamma di velocità del vento da 250mph a 760mph (1, 223 km/h).
Supersonico le gallerie generano venti più veloci della velocità del suono (768mph o 1, 235,9 km/h). Ipersonico i tunnel creano raffiche di vento spaventosamente veloci di 3, 800mph a 11, 400 miglia orarie (6, 115,5 km/h su 18, 346,5 km/h) o anche più veloce.
Per saperne di più
General Motors possiede la più grande galleria del vento al mondo dedicata ai test automatici. La ventola ha un diametro di 43 piedi (13 metri). Bill Pugliano/Notizie/Getty Images Gli ingegneri hanno spesso bisogno di testare più variabili aerodinamiche e ambientali contemporaneamente. Ecco perché alcuni tunnel offrono un'ampia gamma di possibilità di test in un'unica posizione. La grande galleria del vento climatica di Vienna, utilizzato principalmente per il collaudo di automobili e veicoli ferroviari, è uno di questi tunnel. La sola sezione di prova è lunga 328 piedi (100 metri), attraverso il quale fluiscono velocità del vento fino a 186 mph (299 kph).
Gli ingegneri possono regolare l'umidità relativa dal 10 al 98 percento e spingere le temperature da -49 gradi a 140 gradi Fahrenheit (da -45 a 60 gradi Celsius). Fedele al suo nome, il Tunnel Climatico di Vienna è completo di pioggia, capacità di neve e ghiaccio, oltre ai simulatori di esposizione solare.
capacità di glassa, in particolare, è stato per decenni un componente critico nelle gallerie del vento, perché l'accumulo di ghiaccio sulle superfici degli aerei può essere disastroso, facendo precipitare un aereo. I tunnel di ghiaccio hanno sistemi di refrigerazione che raffreddano l'aria e poi spruzzano goccioline d'acqua fini nel flusso d'aria, produrre uno smalto sui modelli di prova. Gli ingegneri possono quindi armeggiare con soluzioni per contrastare l'accumulo di ghiaccio, Per esempio, installando sistemi di riscaldamento che riscaldano le superfici dell'aereo.
Esistono molti altri tipi di tunnel progettati per scopi specifici. Alcuni progetti saltano pali o fili per il fissaggio del modello e utilizzano invece potenti magneti che sospendono i modelli metallici nella sezione di prova. Altri forniscono cavi di controllo remoto che consentono agli scienziati di "far volare" un aereo modello all'interno dell'area di prova.
L'Università del Texas presso il Centro di ricerca aerodinamica di Arlington ha quello che viene chiamato un tunnel a getto d'arco, che genera flussi supersonici di gas molto caldo a temperature fino a 8, 540 gradi Fahrenheit (4, 727 gradi Celsius). Questi tipi di temperature sono particolarmente utili per la NASA, che sottopone la sua navicella a calore elevato mentre rientrano nell'atmosfera terrestre.
Alcuni tunnel omettono completamente l'aria e utilizzano invece l'acqua. L'acqua scorre come l'aria, ma ha una densità maggiore dell'aria ed è più visibile, pure. Queste proprietà aiutano gli scienziati a visualizzare i modelli di flusso intorno ai sottomarini e agli scafi delle navi, o ancora meglio vedere le onde d'urto create da aerei e missili molto veloci.
Allora qual è il punto di soffiare tutta quest'aria calda e fredda in giro, comunque? Non è solo così che gli scienziati possono dare sfogo al loro geek -- nella pagina successiva, vedrai come le gallerie del vento ci aiutano a fare molto di più che volare.
Bozze RicreativeLe gallerie del vento verticali (o VWT) dimostrano che le gallerie del vento non sono solo per lavoro. I VWT consentono alle persone di fare paracadutismo al chiuso (chiamato anche volo del corpo ), un buon modo per principianti e professionisti per imparare a fare paracadutismo in sicurezza e divertirsi allo stesso tempo.
Gallerie del vento verticali, come questo in Cina, lascia che i paracadutisti pratichino le loro tecniche al chiuso. Getty Images News/Getty Images Ingegneri e specialisti della produzione utilizzano le gallerie del vento per migliorare non solo aeroplani e veicoli spaziali, ma un intero assortimento di prodotti industriali e di consumo. costruttori di automobili, in particolare, fare molto affidamento sulle gallerie del vento.
Il laboratorio di aerodinamica della General Motors ha la più grande galleria del vento per lo studio dell'aerodinamica delle auto. Dalla costruzione del tunnel tre decenni fa, gli ingegneri dell'azienda hanno ridotto il coefficiente di resistenza aerodinamica dei loro veicoli di circa il 25 percento. Questo tipo di miglioramento aumenta il risparmio di carburante di due o tre miglia per gallone.
I produttori di auto da corsa utilizzano i tunnel per migliorare l'aerodinamica delle auto, in particolare velocità ed efficienza, per aiutarli a ottenere un vantaggio competitivo. Galleria del vento AeroDyn, Per esempio, si trova nella Carolina del Nord ed è specializzata nei test di stock car NASCAR a grandezza naturale e altre auto e camion da corsa. Un'altra società, chiamato Windshear, opera anche in North Carolina e possiede un avanzato tunnel a circuito chiuso con una strada rotabile incorporata, che è fondamentalmente un enorme tapis roulant per auto.
Gli ingegneri elettronici utilizzano piccole gallerie del vento per vedere come il flusso d'aria influisce sull'accumulo di calore nei componenti. Quindi possono progettare chip per computer più freddi e schede madri che durano più a lungo. I gestori dei servizi pubblici utilizzano le gallerie del vento per testare le turbine eoliche utilizzate per generare elettricità. Le gallerie del vento aiutano a rendere più efficienti le turbine e le loro pale, efficace e durevole, in modo che possano resistere costantemente, raffiche potenti. Ma le gallerie del vento aiutano anche gli ingegneri a determinare i layout dei parchi eolici e la spaziatura delle turbine, in modo da massimizzare l'efficienza riducendo al minimo la turbolenza che assorbe potenza.
Le gallerie del vento e i modelli di prova non sono economici da costruire. Ecco perché sempre più organizzazioni stanno disattivando le loro gallerie del vento e stanno passando alla modellazione al computer (chiamata anche fluidodinamica computazionale ), che ora viene spesso utilizzato al posto di modelli fisici e tunnel. Cosa c'è di più, i computer consentono agli ingegneri di regolare infinite variabili del modello e della sezione di test senza lavoro manuale dispendioso in termini di tempo (e costoso). I tunnel fisici vengono talvolta utilizzati solo per testare nuovamente i risultati della modellazione al computer.
Gli ingegneri edili utilizzano la modellazione al computer per i test di ingegneria del vento per aiutarli a progettare e costruire grattacieli, ponti e altre strutture. Indagano l'interazione tra forme e materiali della costruzione e il vento per renderli più sicuri e resistenti.
Per adesso, anche se, le gallerie del vento sono ancora in uso attivo in tutto il mondo, aiutare gli scienziati a realizzare prodotti e veicoli di tutti i tipi più sicuri ed efficienti. E anche se le nuove tecnologie virtuali alla fine sostituiranno le gallerie del vento fisiche, queste meraviglie dell'ingegneria avranno sempre un posto nella storia dello sviluppo dell'umanità.
