Hay muchos fenómenos físicos y leyes descubiertas por el hombre por accidente. Desde la legendaria manzana que cayó sobre la cabeza de Isaac Newton, pasando por Arquímedes bañándose plácidamente, hasta los últimos descubrimientos en el campo de la creación de nuevos materiales y la bioquímica. El efecto Coanda pertenece a la misma serie de descubrimientos. Por extraño que parezca, su aplicación práctica en tecnología aún se encuentra en una etapa muy inicial. Entonces, ¿qué es el efecto Coanda?
Historial de descubrimientos
El ingeniero rumano Henri Coanda, mientras probaba su avión experimental, equipado con un motor a reacción, pero con un cuerpo de madera, para evitar la ignición del cuerpo por una corriente en chorro, instaló placas protectoras de metal en los lados del motores Sin embargo, el efecto de esto resultó ser lo contrario de lo esperado. Los chorros a punto de expirar, por razones que se desconocen, comenzaron a ser atraídos por estas placas protectoras y las estructuras de madera del fuselaje ubicadas en la zona de su colocación podrían incendiarse. Las pruebas terminaron en un accidente, pero el propio inventor nosufrido. Todo esto sucedió a principios del siglo XX.
Verificación experimental
El efecto Coanda es un fenómeno que puedes probar desde la comodidad de tu cocina. Si abre el agua del grifo y acerca un plato plano al chorro de agua, puede ver este efecto con sus propios ojos. El agua apenas se desviará perceptiblemente hacia el plato. Al mismo tiempo, el caudal de agua puede no ser muy alto. En principio, este fenómeno se observa en cualquier medio: agua o aire. Lo principal es la presencia de un flujo medio y la presencia de una superficie adyacente a este flujo en un lado.
Por cierto, este fenómeno tiene otro nombre: el efecto tetera. Es gracias a este efecto que cuando se inclina la tetera, el agua no cae en la taza, sino que fluye por el pico, inundando el mantel y, a veces, las rodillas de los demás. Dado que las leyes de la hidrodinámica y la aerodinámica en su conjunto, salvo contadas excepciones, son prácticamente idénticas, para no repetirse, en el futuro se considerará el efecto Coanda para el medio ambiente aéreo.
Física del fenómeno
El efecto Coanda se basa en la diferencia de presión resultante en el flujo en presencia de una pared que restringe este flujo, impidiendo el libre acceso del aire por un lado. Cualquier flujo de aire consta de capas con diferentes velocidades. Al mismo tiempo, se ha demostrado experimentalmente que la fuerza de fricción entre la capa de aire y la superficie sólida adyacente es menor que entre las capas de aire individuales. Por lo tanto, la velocidad de la capa de aire que pasa cerca de la superficie resulta serpor encima de la velocidad de la capa de aire distante de esta superficie.
Además, a una distancia suficientemente grande, la velocidad de una de las capas de aire con respecto a la superficie será generalmente igual a cero. Resulta un campo no uniforme de velocidades a lo largo de la altura del flujo. De acuerdo con las leyes de la dinámica de los gases, aquí surge una diferencia de presión transversal, que desvía el flujo hacia una presión más baja, es decir, hacia donde la velocidad de la capa de aire es más alta, hacia la pared delimitadora. Eligiendo la forma de la boquilla y la superficie, experimentando con las distancias y la velocidad, es posible cambiar la dirección del flujo en un rango bastante amplio.
Matemáticas
Durante mucho tiempo, el fenómeno descrito no fue reconocido en absoluto, a pesar de su obviedad y la relativa facilidad de verificación experimental. Entonces hubo necesidad de cálculos teóricos de la fuerza y el vector de esta fuerza, es decir, calcular el efecto Coanda. Dichos cálculos se realizaron para diferentes tipos de chorros.
Las fórmulas derivadas son bastante engorrosas y representan una combinación de cálculo diferencial con trigonometría. Pero estos cálculos complejos y de varios pasos solo pueden dar un resultado aproximado. Por supuesto, todo esto no se calcula en papel, sino utilizando algoritmos modernos integrados en las computadoras. Sin embargo, los valores reales solo se pueden obtener experimentalmente. Demasiados factores contribuyen a este efecto y no todos pueden describirse mediante fórmulas matemáticas.
De qué depende este fenómeno
Dejando de lado el elaborado análisis de las fórmulas, que requiere una habilidad extraordinaria, la fuerza del efecto Coanda depende de la velocidad del flujo, la relación entre el diámetro del flujo y la curvatura de la pared. Los experimentos han demostrado que la ubicación y el diámetro de la boquilla, la rugosidad de la superficie de la pared, la distancia entre el flujo y la pared que lo limita, así como la forma de la propia pared, son de gran importancia. También se observa que el efecto Coanda es más pronunciado en flujo turbulento.
¿Qué más se le ocurrió al descubridor?
Después del descubrimiento del fenómeno, A. Coanda comenzó a desarrollarlo ya buscar aplicaciones prácticas. El resultado de sus esfuerzos fue una patente para la invención de un paraguas volador. Si se instalan boquillas en el centro del hemisferio similares a un paraguas, expulsando una corriente de gases, entonces, de acuerdo con el efecto Coanda, esta corriente se presionará contra la superficie del hemisferio y fluirá hacia abajo, creando una región de baja presión sobre el paraguas, empujándolo hacia arriba. El propio inventor lo llamó el ala de un avión, enrollada en un anillo.
Los intentos de poner en práctica este invento no han tenido éxito. La razón es la inestabilidad del aparato en el aire. Sin embargo, los avances recientes en el campo del control inteligente de estructuras inestables en el aire, el llamado principio Fly by Wire, dan esperanzas para la aparición de este exótico avión.
Lo que se logró
Aunque no fue posible levantar el paraguas del inventor en el aire, el efecto Coanda ense utiliza la aviación, pero, relativamente hablando, en áreas secundarias. De los ejemplos más destacados, se puede citar un helicóptero sin rotor de cola desarrollado en los años 40, cuyas funciones para compensar la rotación del rotor principal eran realizadas por un ventilador instalado en la parte trasera y toberas con guías especiales. El mismo sistema hizo posible controlar el helicóptero en guiñada y cabeceo. Esto se ha aplicado en MD 520N, MD 600N y MD Explorer.
En los aviones, el efecto Coanda es, ante todo, un aumento de la sustentación por el flujo de aire adicional del motor a la superficie superior del ala, lo que produce el efecto máximo cuando se libera la mecanización, es decir, cuando el ala tiene el perfil más "convexo", lo que permite que el flujo salga casi verticalmente hacia abajo. Esto se ha implementado en los aviones soviéticos An-72, An-74 y An-70. Todas estas máquinas tienen características mejoradas de despegue y aterrizaje, lo que permite el uso de carriles cortos de despegue y aterrizaje.
De la tecnología estadounidense, podemos nombrar el "Boeing C-7", utilizando el mismo principio, así como una serie de máquinas experimentales. En el período de posguerra, se hicieron muchos intentos para crear un avión basado en los principios del efecto Coanda. Todos ellos tenían la forma de un platillo volador, y todos ellos, después de cierto tiempo, fueron cerrados debido a dificultades técnicas. Es posible que estos trabajos se estén realizando de forma estrictamente vigilada en la actualidad.
Del cielo a la tierra y debajo del agua
Para aumentar el agarre de las ruedas con la pista se empezó a utilizar el efecto Coanday en los diseños de los coches de Fórmula 1. Las máquinas están equipadas con difusores y carenados, contra los cuales se presiona el flujo de gases de escape, proporcionando el efecto deseado. La imagen de arriba muestra el movimiento de los gases de escape pegados a los contornos, a pesar de que el tubo de escape apunta hacia arriba.
Además del transporte terrestre, se han realizado y se están realizando trabajos experimentales relacionados con el aprovechamiento de este fenómeno en submarinos. En particular, se creó una bicicleta submarina bastante exótica en San Petersburgo, por alguna razón llamada en inglés - Blue Space, traducida como "espacio azul". Lo que usa para moverse es el efecto Coanda. Los carenados se instalan frente a la "bicicleta submarina", en la que se montan rodillos de remo, que succionan agua a través de ranuras especiales. Luego, el agua se empuja hacia la superficie del cuerpo de la máquina, creando un empuje en su superficie. El agua fluye alrededor de todo el casco, es absorbida por la ranura en la popa y expulsada.
