FENÓMENOS FÍSICOS
El efecto Christofilos hace referencia a la captura de partículas cargadas a lo largo de líneas de fuerza magnéticas, predicha por primera vez en 1957 por el físico greco-estadounidense Nicholas Christofilos. Christofilos sugirió que el efecto podría tener un potencial defensivo en una guerra nuclear, ya que serían tantas las partículas beta (electrones) atrapadas que las ojivas que atravesasen la región se verían afectadas por corrientes eléctricas tan grandes que dañarían su electrónica. La posibilidad de que unas pocas ojivas amigas pudieran interrumpir un ataque enemigo era tan prometedor que se hicieron una serie de nuevos ensayos nucleares antes de que entrara en vigor una moratoria de las pruebas a finales de 1958. Esas pruebas mostraron que el efecto no era tan intenso como se había predicho, y no lo suficiente como para dañar una ojiva. Sin embargo, el efecto es lo suficientemente fuerte como para usarse para neutralizar los radares e inutilizar los satélites.
Idea conceptual
Entre los muchos tipos diferentes de energía liberada por una explosión nuclear se encuentran una gran cantidad de partículas beta, o electrones de alta energía, creadas por las reacciones de fisión nuclear utilizadas en el diseño típico de una bomba nuclear. Debido a que estas partículas están cargadas, inducen corrientes eléctricas en los átomos a medida que pasan a gran velocidad, haciendo que el átomo se ionice y haga que la partícula beta se desacelere levemente, radiación de frenado. En la atmósfera inferior, esta reacción es tan poderosa que las betas tardan en alcanzar velocidades térmicas de unas pocas decenas de metros como máximo, pero a gran altura, son libres de recorrer largas distancias.
Si una bomba explota por encima de la atmósfera, las partículas beta que viajan hacia abajo continuarán haciéndolo hasta que la atmósfera alcance una densidad crítica, generalmente entre 50 y 60 km. Esto provoca que se forme un gran disco de aire ionizado debajo del punto de explosión, causando un apagón nuclear. Un número similar de partículas, viajando hacia arriba, se perderá en el espacio. El efecto de Christofilos se refiere a esas partículas betas que viajan más o menos paralelas al campo magnético de la Tierra en el punto de explosión. Estas partículas betas, al estar cargadas, quedan atrapadas dentro del campo y comienzan a viajar hacia el norte y hacia el sur a lo largo de las líneas de fuerza. Como estas son curvas y se unen al suelo cerca de los polos magnéticos norte y sur, estas partículas eventualmente golpean la atmósfera también, formando discos de ionización similares.
La idea básica del efecto Christofilos es que se puede crear un disco de ionización a grandes distancias de la explosión. Para cada posible punto de detonación en el hemisferio sur, por ejemplo, hay un punto en el hemisferio norte que es su área magnética conjugada donde se formará el disco. Christofilos sugirió la posibilidad emplear defensivamente las partículas betas. Mientras atraviesa la de partículas nube beta un vehículo de reentrada encuentra el mismo tipo de efecto de ionización que el aire, pero al ser metálico, el movimiento de electrones resultante se convierte en una corriente eléctrica dentro de la estructura. Si este efecto es lo suficientemente fuerte, las corrientes resultantes dentro de la cabeza nuclear pueden dañarla, especialmente sus componentes electrónicos. Esto podría, en teoría, ser utilizado como una medida de defensa disparando una serie de bombas sobre el Pacífico Sur, creando una sombrilla sobre la mayoría de los Estados Unidos sin tener que lidiar con ninguna lluvia nuclear o pulso electromagnético de las bombas.
Igual de interesante para los estrategas militares fue la posibilidad de emplearlo como arma ofensiva. En el caso de un ataque de Estados Unidos contra la Unión Soviética, las ubicaciones conjuntas al sur de la URSS generalmente se encuentran en el océano Índico, donde no serían vistas por los radares soviéticos de alerta temprana. Una serie explosiones a baja altitud sobre el Océano Índico causaría un apagón de radar masivo sobre la URSS, degradando su sistema ABM, sin previo aviso. Como estos efectos duran hasta cinco minutos, aproximadamente la cantidad de tiempo que un radar en la URSS tendría de línea de visión e de las ojivas nucleares, una sincronización cuidadosa del ataque podría inutilizar el sistema ABM.
Historia
En 1957, Christofilos sugirió que la captura por el magnetismo de la Tierra podría usarse deliberadamente para dar forma a la propagación de las partículas betas de un arma nuclear. Al principio, el concepto fue ignorado. Sin embargo, el lanzamiento del satélite Explorer I en 1958 dio lugar a lecturas anómalas interesantes que se determinaron debidas a lo que ahora se conoce como cinturones de radiación Van Allen, partículas cargadas del Sol que quedan atrapadas dentro del campo magnético de la Tierra. Esto llevó al pánico dentro del establecimiento de defensa cuando algunos concluyeron que los cinturones de Van Allen no se debían a las partículas del Sol, sino a las pruebas nucleares secretas soviéticas a gran altitud. Se realizaron varios lanzamientos de seguimiento para estudiar mejor el carácter de estos cinturones, y el pánico se desvaneció.
Christofilos, que anteriormente se dedicaba exclusivamente a la investigación civil, ahora estaba invitado a unirse al equipo de la bomba nuclear en el Laboratorio de Radiación Lawrence, aunque nunca recibió la "autorización Q" necesaria para trabajar en diseños de ojivas nucleares. Propuso las detonaciones nucleares para poner a prueba su predicción. Esto se logró en 1958 en el Proyecto Argus, cuando se detonaron tres bombas atómicas sobre el Atlántico sur a una altura de 300 millas (480 km). Las bombas liberaron partículas cargadas que se comportaron exactamente como Christofilos había predicho, quedando atrapadas en la línea de la fuerza. Aquellos que lograron llegar lo suficientemente lejos en la atmósfera hacia el norte y el sur configuraron una pequeña tormenta magnética.
Estas pruebas demostraron que la posibilidad de usar el efecto como un sistema defensivo simplemente no era viable. El efecto no fue lo suficientemente fuerte ni duradero como para ser usado como escudo defensivo. Las posibilidades ofensivas se mantuvo, pero con un tiempo de vida del orden de unos pocos minutos, el efecto no dura lo suficiente para ocultar todo el ataque, por lo que un ataque completamente por sorpresa no serían posibles. Siendo este el caso, se podría crear un efecto aún más poderoso mediante las ojivas del propio ataque.
Más recientemente, ha habido una continua preocupación sobre el uso del efecto Christofilos como una forma de inutilizar satélites.
El efecto Branly es la caída drástica de la resistencia eléctrica de una muestra de granos metálicos por efecto de las ondas electromagnéticas generadas por una chispa eléctrica producida a una determinada distancia. En este efecto se basaron las primeras comunicaciones radioléctricas llevadas a cabo por Guillermo Marconi a finales del siglo XIX.
El fenómeno fue descubierto en 1890 por el físico francés Édouard Branly, y hasta más de un siglo después no se le encontró una explicación. Según los experimentos realizados, el efecto puede interpretarse en términos de microcontactos entre los granos que quedan soldados bajo el efecto provocado por el paso de la corriente eléctrica. El metal se fusiona y se crean puentes metálicos que hacen disminuir la resistencia eléctrica. Por lo demás, un simple choque mecánico puede romper dichos puentes.
El efecto Coandă es un fenómeno físico en el cual una corriente de fluido —gaseosa o líquida— tiende a ser atraída por una superficie vecina a su trayectoria. El término fue acuñado por Albert Metral en honor al ingeniero aeronáutico rumano Henri Coandă, quien descubrió el efecto en su prototipo de avión de reacción[1] alrededor del año 1910. Fue documentado explícitamente en dos patentes publicadas en 1936.
Descubrimiento
Una descripción previa de este fenómeno fue aportada por Thomas Young en una conferencia dada en la Royal Society en 1800:
La presión lateral que empuja la llama de una vela hacia el chorro de aire de un soplete es, probablemente, muy similar a la presión que facilita la inflexión de la corriente de aire cerca de un obstáculo. Si se observa el hoyo que crea una corriente delgada de aire en la superficie del agua, al colocar un objeto convexo en contacto con el lado de la corriente, en el lugar del hoyo se mostrará inmediatamente que la corriente se desvía hacia el objeto; y si el objeto es libre para moverse en todas direcciones, será impulsado hacia la corriente… [2]
Unos cien años más tarde, el efecto Coandă fue descubierto en 1910 por Henri Coandă (1885-1972), que se interesó en el fenómeno después de haber destruido un prototipo de aeroplano desarrollado por él (Coandă-1910).
Tras observar cómo las llamas y los gases quemados que salían de los motores se aproximaban al fuselaje,[1] Coandă notó que un fluido tiende a seguir el contorno de la superficie sobre la que incide, si la curvatura de la misma o el ángulo de incidencia del fluido con la superficie no son demasiado acentuados.
Primera aproximación
Una buena manera de explicar en qué consiste el efecto Coandă es con un ejemplo: supóngase una superficie curva, por ejemplo un cilindro, tal como se muestra en la ilustración de la derecha. Si sobre él se vierte algo sólido (arroz, por ejemplo) rebotará. El cilindro, por el principio de acción-reacción, tenderá a ir a la izquierda; esto se puede ver en la primera parte de la ilustración. Si se repite este experimento con un líquido, debido a su viscosidad tenderá a "pegarse" a la superficie curva. En este caso, el fluido será atraído hacia el cilindro. Si nos imaginamos que el líquido está formado por miles de capas de agua, las capas que tocan al cilindro se pegarán; las capas contiguas, por el rozamiento, se pegarán a ésta y se desviarán un poco; las siguientes capas, igualmente, se desviarán algo más.
Mecanismo
Un chorro de aire arrastra moléculas de su alrededor, creando un "tubo" o "manguito" de baja presión alrededor del chorro (ver diagrama 1). Las fuerzas resultantes de este tubo de baja presión compensan cualquier flujo inestable perpendicular, lo que estabiliza el chorro en una línea recta. Sin embargo, si se coloca una superficie sólida cerca paralela al chorro (ver diagrama 2), el arrastre de aire entre la superficie sólida y el chorro provoca una reducción en la presión en ese lado, desviando el chorro en el proceso (ver diagrama 3).[3][4] Con superficies curvas, el chorro se desvía más (ver diagrama 4), porque cada cambio infinitesimal en la dirección de la superficie produce los efectos descritos para la flexión inicial del chorro hacia la superficie, incrementando la adherencia del chorro.[4][5]
Si la superficie no es perfectamente curva, el chorro, bajo las circunstancias adecuadas, puede adherirse a la superficie incluso tras rotar 180° y así ir en la dirección opuesta a la inicial. Las fuerzas que causan estos cambios en la dirección generan una fuerza igual y opuesta en la superficie por la que fluye el chorro.[4] Estas fuerzas inducidas por el efecto Coandă se pueden aprovechar para generar sustentación u otros tipos de movimiento, dependiendo de la orientación del chorro y de la superficie a la que se adhiere.[3] Si ponemos un pequeño "labio" donde comienza el chorro (ver diagrama 5), se produce un vórtice de baja presión detrás del labio, aumentando la desviación del chorro hacia la superficie.[3]
El efecto Coandă se puede inducir en cualquier fluido, tanto líquido como gaseoso.[3]
Aplicaciones
Aviación
El efecto Coandă tiene aplicaciones en varios dispositivos hipersustentadores en aviación, donde el aire sobre el ala puede ser "enviado" hacia el suelo gracias a los flaps, de manera que el chorro de aire recorre la superficie curvada de la parte superior del ala. La flexión del flujo se traduce en sustentación.[6] El flujo de un motor a reacción montado dentro de una góndola sobre el ala produce un incremento en la sustentación al incrementar drásticamente el gradiente de velocidad del flujo cortante de la capa límite. En este gradiente de velocidad, algunas partículas se escapan de la superficie al bajar la presión en esa zona.[7] John Frost, de Avro Canada, investigó este efecto, llegando a diseñar una serie de aviones con ciertas similitudes a los hovercraft, en los cuales el aire sale de un anillo que rodea la aeronave y que es dirigido hacia otro anillo que actúa de flap.
Estos estudios culminaron con el desarrollo del Avro Canada VZ-9 Avrocar, que fue una aeronave canadiense de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) construida por Avro Aircraft Ltd. como parte de un proyecto militar secreto de los Estados Unidos, que se llevó a cabo en los primeros años de la Guerra Fría.[8] El Avrocar usaba el efecto Coandă para crear sustentación a partir de un solo "turborotor" que sopla aire al borde de la aeronave para proveerla de aptitudes VTOL. En el aire, hubiera tenido un aspecto muy parecido a los platillos volantes. Se construyeron dos prototipos como "prueba de concepto" con la idea de crear un caza más avanzado para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y también como equipamiento aéreo táctico para el Ejército de los Estados Unidos.[9]
El Proyecto 1794, que era el nombre en clave designado al proyecto, tenía como objetivo alcanzar velocidades de Mach 3 y Mach 4.[10] Los documentos se mantuvieron clasificados hasta el año 2012.
El efecto también fue implementado en el proyecto del Transporte Medio STOL Avanzado (Advanced Medium STOL Transport, AMST) del Ejército de los Estados Unidos.
Muchos aviones utilizan este efecto, sobre todo el Boeing YC-14 (el primer avión moderno que implementa el efecto Coandă), el Avión STOL de investigación de ala aumentada con flaps soplados de la NASA, y el avión Asuka del Laboratorio Nacional Aerospacial de Japón (National Aerospace Laboratory of Japan, NAL). La manera de aprovechar el efecto consiste en montar motores tipo turbofán encima de las alas para aportarles aire a alta velocidad incluso cuando vuelan a bajas velocidades.
Sin embargo, solo existe una aeronave que haya entrado en producción en serie y que aproveche este efecto, el Antonov An-72 "Coaler". El Shin Meiwa US-1A usa un sistema similar: redirige el chorro de sus cuatro motores de hélice sobre el ala para generar sustentación de baja velocidad. Además, incorpora un quinto motor dentro de la sección central del ala para proporcionar de aire a los flaps soplados. Estos dos sistemas, en conjunto, proporcionan a esta aeronave grandes capacidades en despegues y aterrizajes cortos (STOL).
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El avión experimental McDonnell Douglas YC-15 y su versión de producción, el Boeing C-17 Globemaster III, también emplean el mismo efecto. Los helicópteros de tipo NOTAR reemplazan el rotor de cola convencional por una cola de efecto Coandă (diagrama de la izquierda).
Acondicionamiento de aire
En los sistemas de aire acondicionado, el efecto Coandă sirve para incrementar el chorro en los sistemas montados en el techo. Como el efecto Coandă produce que el aire que sale del difusor se "pegue" al techo, el aire llega más lejos. Esto provoca que la velocidad de los ventiladores pueda ser menor, lo que reduce el ruido y, en el caso de los sistemas de volumen de aire variable (VAV), mayores relaciones de ajuste (turndown ratio). Los difusores que tienen una mayor longitud de contacto con el techo experimentan un mayor efecto Coandă.
Atención médica
En cardiología, el efecto Coandă se encarga de separar la sangre en la aurícula derecha del feto.[11] También explica por qué los flujos excéntricos producidos en la insuficiencia mitral se atraen y dispersan a lo largo de las superficies de la pared auricular izquierda adyacente (se pueden ver como flujos que "abrazan" la pared en los ecocardiogramas). Esto es clínicamente relevante porque el área visual (y, por tanto, la severidad) de estos flujos que "abrazan" la pared son normalmente subestimados comparados con los flujos centrales, que son más fáciles de apreciar. En estos casos es preferible usar métodos volumétricos para cuantificar la severidad de la insuficiencia mitral.
El efecto Coandă también es usado en los aparatos de ventilación asistida.[12][13][14]
Meteorología
En meteorología, la teoría del efecto Coandă se ha aplicado a algunas corrientes de viento que atraviesan cordilleras como los montes Cárpatos y los Alpes de Transilvania, donde sus efectos en la agricultura y la vegetación han sido demostrados. También tiene influencia en el valle del Ródano en Francia y cerca del Big Delta en Alaska.[15]
Automovilismo
En la Fórmula 1, el efecto Coandă ha sido utilizado por varios equipos como McLaren, Sauber, Ferrari y Lotus, después de que fuera introducido por Adrian Newey (Red Bull Racing) en 2011, ayudando a redirigir los gases de escape a través del difusor trasero con la intención de crear mayor efecto suelo en la parte trasera del coche.[16]
Debido a un cambio de normativa realizado por la FIA al inicio de la temporada 2014 de Fórmula 1, esta práctica fue prohibida al introducir una nueva norma, por la cual el tubo de escape no debe tener ninguna parte de la carrocería alrededor con la intención de crear algún efecto aerodinámico.[17]
Otros usos
En la lógica de fluidos, el efecto Coandă se ha usado para crear multivibradores biestables, donde el flujo de trabajo (aire comprimido) se adhería a una pared curva y los haces de control podían cambiar el flujo entre las paredes.
Así mismo, el efecto Coandă también se usa para mezclar dos fluidos.
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