Hidroala
 |
Aquest article o secció s'està elaborant i està inacabat. Un viquipedista hi està treballant i és possible que trobeu defectes de contingut o de forma. Comenteu abans els canvis majors per coordinar-los. Aquest avís és temporal: es pot treure o substituir per {{incomplet}} després d'uns dies d'inactivitat. |
En termes nàutics, una hidroala[1] o ala aquàtica, (en anglès: hydrofoil),[2]designa una superfície de sustentació submergida o semi- submergida, horitzontal o inclinada respecte al buc, la funció de la qual és aixecar parcialment o totalment el buc fora de l'aigua per reduir la seva resistència hidrodinàmica i poder guanyar velocitat.
Denominació i origen del nom
[modifica]Una hidroala[1] o " ala aquàtica" designa, en termes nàutics, una superfície de sustentació submergida, horitzontal o inclinada en relació amb el buc.[3] La seva funció és aixecar parcialment o completament el buc fora de l'aigua per reduir la seva resistència hidrodinàmica i guanyar velocitat.[3]
La paraula " foil ", segona meitat de la paraula anglesa hidrofoil,[2] és originalment una paraula de la llengua d'oil que significa" fulla [d'arbre] ", però en el seu sentit actual és una afèresi de l'anglès hydrofoil,[4] que es tradueix com hidroala en català.[1]
Història
[modifica]Les hidroales no són obra d'un sol inventor ni d'una data concreta, això encara roman al centre de moltes investigacions. Les primeres hidroales, tal com les coneixem avui dia, van aparèixer als anys 80 : van ser popularitzats per Eric Tabarly i el seu trimarà, el Paul Ricard. Realment es van fer populars als anys 2000 amb l'aparició dels hidròpters; aquests vaixells multibuc poden assolir velocitats extremadament altes gràcies a les seves hidroales : més de 100 km/h.[5] L'any 2012, el rècord de velocitat de navegació va ser obtingut pel Iot hidroala Vestas Sailrocket 2; va assolir una velocitat màxima de 65,45 knts (121 km/h).
Les hidroales van fer la seva aparició per primera vegada al Vendée Globe durant l'edició de 2016, on els patrons tenien l'opció d'equipar o no el seu buc amb ells.[6][7]
Dissenys
[modifica]Segons l'objectiu desitjat i les limitacions tecnològiques, les hidroales es poden implementar de diverses maneres.
Disposicions
[modifica]Per tal de controlar el braç de palanca i els moments relacionats amb l'estabilitat de l'embarcació, respecte a l'eix lateral (capcineig) i a l'eix longitudinal (balanceig) s'utilitzen diversos tipus superfícies de suport, amb diferents disposicions :
- Ales d'ànec : superfície petita a la part davantera i gran superfície de càrrega a la part posterior ;
- Clàssiques o d'avió : gran superfície de sustentació a la superfície davantera i a la superfície posterior que actua com a cua ;
- En tàndem : superfícies idèntiques o similars tant a la part davantera com a la posterior.
Tipus
[modifica].jpg)
Les hidroales es classifiquen en dues famílies :
- hidroales de superfície variable, travessant la superfície :
- hidroales d'escala : amb diversos plans superposats. El sistema més antic que ja no s'utilitza per la complexitat de la construcció i l'elevat arrossegament per raó de les nombroses interaccions entre els muntants i les hidroales ;
- hidroales obliqües : en " V » muntades a la primera generació, hidroalas suïsses, italianes i russes (embarcació d'alta velocitat), i al veler L'Hydroptère, o hidroales corbats en " cullera ".
- hidroales de superfície fixa, totalment submergides, sovint en " T invertida » (Boeing 929 -Jetfoil) ; Trifoiler i Windrider Rave, Foil Moth, hidròpters d'oci). Hi ha altres formes, en " Y invertida ”, en “ U ”, i en “ L ".
Hidroala sobresortint a la superfície
[modifica]En el cas de hidroales que sobresurten a la superfície, com més ràpid va l'embarcació, més amunt pugen i menys superfície submergida queda. La velocitat augmenta la sustentació compensant la part perduda al disminuir la superfície de sustentació, així es manté sensiblement constant la sustentació resultant.
Per a una velocitat determinada, el vaixell s'eleva fins que la sustentació és igual al pes. Es diu que la sustentació s'autoregula ja que (teòricament) no és probable que el vaixell s'aixequi fins al punt d'eliminar tota la hidroala. Aquestes hidroales generalment tenen un angle de pas fix però també poden ser ajustables (pas variable).
Ajustant la immersió de la hidroala a nivell de la superfície, l'embarcació segueix el perfil de les onades (poc confortable en mar agitada).
Hidroala totalment submergida
[modifica]En el cas de les hidroales totalment submergides, la superfície de sustentació està completament submergida i de forma constant
L'avantatge d'aquesta configuració és la seva capacitat per aïllar l'embarcació de l'efecte de les ones tan bon punt la seva velocitat és suficient perquè el vaixell pugui enlairar-se per damunt d'un onatge no sigui massa fort. Els sustentaciós o muntants que connecten les hidroales amb el buc, en general, no contribueixen a la sustentació. Aquesta configuració amb hidroales submergides pot tenir una eficiència més alta (sustentació/arrossegament) però no és naturalment estable en el pas i el rodatge. D'altra banda, la superfície de sustentació és constant sigui quina sigui la velocitat i l'alçada del vol. Sense un sistema de regulació, res no estabilitza la profunditat d'immersió : la hidroala pot arribar a la interfície aire/aigua. Per aquests dos motius, el vaixell ha d'estar equipat amb un sistema d'estabilització actiu controlat per sensors d'altitud (com a l'arna d'alumini) o per una unitat central (sensors d'altitud, acceleròmetres)..
Per variar els angles d'inclinació en sentit longitudinal com transversal en funció de la velocitat, el radi de gir aplicat i el pes de l'embarcació, les hidroales han d'anar equipats amb un sistema de variació de sustentació que actuï sobre l'ajust o la curvatura del perfil o sobre el cabal local.
En aquesta família trobem sovint hidroales en " T invertida ”, però també en “ U » o en « L ".
Hidroala inversa
[modifica]Les hidroales també es poden invertir per crear força de sustentació inversa creant un dispositiu antideriva dins l'aigua, com a l'aparell de registre de velocitat de Vestas Sailrocket 2 o per a un " àncora de capa » (per exemple: Le Chien-de-mer de Didier Costes).[8]
Estabilització activa, control de les hidroales
[modifica]La regulació de la sustentació es pot fer:
- modificant l'angle de pas del conjunt (hidroala+ suport)[9]
- modificant la configuració de la hidroala
- modificant la curvatura del perfil (desviació de la solapa fins al caire de sortida) ;
- reduint la sustentació, ventilant la superfície superior (l'aigua es substitueix per aire).
Vehicles de motor
[modifica]El sistema està controlat per sensors (giroscopis, acceleròmetres i sensors d'alçada de vol) ; els actuadors controlen la força de sustentació de les hidroales.
Velers
[modifica]El sistema generalment es controla de forma mecànica per sensors situats davant del vaixell o per un sensor d'altitud (normalment un flotador que sura sobre la superfície de l'aigua), p.e. « Moth à foil » ou « Moth Foiler ».
Vehicles de propulsió humana
[modifica]
Màquines impulsades pel poder humà :
- El Decavitator és una embarcació tipus catamarà impulsada per una hèlix aèria. la sustentació es proporciona dinàmicament per dues petites hidroales davanteres i una hidroala principal a la part del darrere. Una hidroala addicional (retràctil) queda submergida a baixes velocitats.
- L'aquaskipper és una màquina de platja que té un paper doble a la part davantera i un paper gran a la part posterior. El moviment cap amunt i cap avall donat per l'usuari crea un moviment ondulat a la hidroala posterior gràcies a una molla de fibra de vidre col·locada entre la forquilla davantera i la plataforma posterior. EL" surfista » es troba a la plataforma posterior[10]
- La pràctica del "pumping" consisteix en emprar per a navegar, una taula equipada amb un hidroala i un estabilitzador[11]
Disseny de superfícies de sustentació
[modifica]Perfil
[modifica]El perfil és la secció longitudinal (paral·lela a la velocitat) d'una ala elevable.
Els perfils es defineixen generalment per les seves principals característiques geomètriques i les seves característiques hidrodinàmiques (coeficients de sustentació, arrossegament, moment de tancament). Els perfils més coneguts (NACA) es classifiquen geomètricament per famílies (distribució del gruix, "combament", gruix).
La geometria d'un perfil es defineix pels elements següents :
- El "combament" (proporció mitjana de línia fletxa/corda) :
- si el perfil és simètric (sustentació a cada costat), el "combament" és zero.
- si el perfil és asimètric (afavoreix la sustentació en una direcció), el "combament" és més sovint de l'ordre de 2 a 5 %. El "combament" es pot variar amb una solapa mòbil a la vora posterior.
- es diu que un perfil asimètric és " pla-convex » si la superfície inferior és plana.
- El gruix relatiu (en comparació amb la corda), un criteri important per a la resistència de l'ala a la flexió ;
- La distribució del gruix (radi de la vora anterior, ubicació del gruix màxim).
El perfil es tria en funció dels criteris principals següents :
- Combament: depèn del coeficient de sustentació (Cz) sol·licitat ; aquest és el criteri més important ;
- Gruix : determina la resistència a la flexió de l'ala i la deformació sota càrrega (segons l'envergadura) ;
- Velocitat : distribució de gruixos i pressions dinàmiques per evitar la cavitació. Existeixen els anomenats perfils “cavitants o super cavitants” (perfils especials amb baixa depressió respecte a la superfície superior) per prevenir o retardar la cavitació a altes velocitats.
Forma del pla
[modifica]Una superfície de sustentació es caracteritza per :
- la forma del pla : generalment rectangular o trapezoïdal ;
- l'envergadura i la corda mitjana del perfil, essent l'àrea el producte de les dues ;
- L'allargament, que és l'envergadura dividida per la corda mitjana.
L'elecció de la forma del pla està lligada a la distribució de la sustentació desitjada :
- per raons hidrodinàmiques, un allargament elevat redueix l'arrossegament induït per la sustentació ;
- per motius estructurals (flexió mecànica, moment flector), és desitjable no allargar i engrossir els perfils.
Coeficients hidrodinàmics
[modifica]El Cz, o coeficient de sustentació, depèn de la massa, la superfície de sustentació i la velocitat. Valor freqüent : 0,4 a 0,7 a velocitat de creuer. La sustentació és F = q S Cz amb q = pressió dinàmica = 1/2 rho V² i rho = densitat del fluid.
El Cx o coeficient d'arrossegament de la hidroala, depèn :
- Del perfil i de l'estat de la seva superfície. La rugositat de la superfície influeix en el coeficient d'arrossegament de fricció (efecte del flux laminar)
- Arrossegament induït per la sustentació (per la seva extensió, forma del pla, interaccions),
- Des de la proximitat de la superfície (influència de la immersió sobre el camp de les ones).
Funcionament hidrodinàmic
[modifica]Segons l'efecte Coanda i la llei de Newton :
- Per raó de la viscositat del medi, la massa d'aire en moviment que es troba amb un perfil inclinat segueix la superfície d'aquest perfil ; la massa d'aire es desvia, aquest és l'efecte Coanda[12] En resposta a l'impuls de la massa d'aire desviada en una direcció (cap avall per a un perfil de sustentació), l'ala s'estira en l'altra direcció (cap amunt), en virtut de la tercera llei de Newton[13]
Segons la diferència de velocitats i pressions :
- L'asimetria d'un perfil arquejat condueix a velocitats més altes a la superfície superior i velocitats més baixes a la superfície inferior. La hipòtesi d'incompressibilitat del fluid estudiat ajuda a explicar-ho. De fet, aquesta hipòtesi permet mostrar la conservació del cabal volumètric del cabal. A la superfície superior, les línies aerodinàmiques s'estrenyen, la superfície disminueix i la velocitat augmenta per conservació del cabal de volum i el contrari passa a la superfície inferior. Segons el teorema de Bernoulli, utilitzable només sota certes hipòtesis que es suposa que es verificaran quan funciona una hidroala, (flux homogeni, incompressible i estacionari),[14] la pressió disminueix quan augmenta la velocitat i viceversa. Així, es crea un excés de pressió a la superfície inferior i una depressió a la superfície superior, que provoca una força de sustentació ascendent i permet que la hidroala pugi.
- Aquesta explicació no s'aplica a la sustentació de perfils simètrics prims i plaques planes sense gruix.
Angle d'incidència
[modifica].svg)
L'angle d'incidència d'una hidroala és l'angle entre la corda del perfil (línia que uneix la vora anterior amb la vora posterior) i el flux (el vector de velocitat local). A mesura que augmenta l'actitud, augmenta l'angle d'atac i la sustentació.
L'angle d'incidència d'un timó, que és una superfície vertical amb un perfil simètric, és igual a zero quan el timó es troba a l'eix de l'embarcació, sempre que l'embarcació no derivi
La sustentació augmenta amb l'angle d'atac (la pendent de sustentació). Des d'un angle determinat, el valor del qual varia en funció del perfil i de l'allargament de la superfície portant, es produeix una separació del flux coneguda com entrada en pèrdua i pèrdua de sustentació.
Angle de sustentació zero
[modifica]Per a un perfil simètric com un timó, l'angle de sustentació zero és zero : el timó ha d'estar a l'eix dels corrents d'aigua per cancel·lar la sustentació lateral.
Per a un perfil asimètric, per obtenir una sustentació zero, el pla s'ha de col·locar en incidència negativa ; és aquest angle el que s'anomena " angle de sustentació zero ". Un ordre de magnitud d'aquest angle ve donat pel valor de la curvatura (relació fletxa/corda) del perfil : un perfil inclinat un 4% té un angle de sustentació zero d'aproximadament −4°.
Referències
[modifica]- ↑ 1,0 1,1 1,2 «Cercaterm» (en castellà). TERMCAT. [Consulta: 12 setembre 2024].
- ↑ 2,0 2,1 «Sailing, Boating, Design». Encyclopedia Britannica, 20-07-1998. [Consulta: 13 setembre 2024].
- ↑ 3,0 3,1 «Foil : qu'est-ce que c'est ?» (en francès). futura-sciences.com. [Consulta: 25 setembre 2023]..
- ↑ «Sailing, Boating, Design». Encyclopedia Britannica, 20-07-1998. [Consulta: 14 setembre 2024].
- ↑ «La petite histoire des foils» (en francès). photography-blog. [Consulta: 9 octubre 2019]..
- ↑ «Vendée Globe 2016 : foils ou pas foils ?» (en francès). France 3 Pays de la Loire. [Consulta: 9 octubre 2019].
- ↑ «Sailrocket». [Consulta: 9 octubre 2019]..
- ↑ «Références : Brevets» (en francès). foils.wordpress.com. [Consulta: 11 març 2024]..
- ↑ La portance dépend de l'incidence qui est la somme du calage et de l'assiette de l'engin.
- ↑ Adrienne SO «King of the Open Seas: The Aquaskipper» (en anglès). WIRED, 07-05-2029 [Consulta: 24 agost 2018].
- ↑ «Pumping foil, du surf sans les vagues - Le Temps» (en francès). Le temps, 05-07-2021. ISSN: 1423-3967 [Consulta: 18 octubre 2023].
- ↑ (anglès) David Anderson, Fermi National Accelerator Laboratory, and Scott Eberhardt, formerly of the Department of Aeronautics and Astronautics, University of Washington, now at the Boeing Company : How Airplanes Fly: A Physical Description of Lift Arxivat 2016-01-26 a Wayback Machine. et A Physical Description of Flight; Revisited Arxivat 2013-07-11 a Wayback Machine.
PDF
- ↑ (anglès) Newton's Third Law of Motion - NASA.
- ↑ Les Glénans. Le Cours des Glénans (en francès). Seuil, 2010, p. 332.
Bibliografia
[modifica]- Marc Fermigier «Voler sur l'eau. La consécration des foils» (en francès). Pour la science, 560, juin 2024, pàg. 64-71.
- (anglès) Human powered Hydrofoil
Enllaços externs
[modifica]