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martes, 15 de octubre de 2019

Los Museos de las Telecomunicaciones del Mundo



Hay muchos museos en el mundo que muestran la evolución de las telecomunicaciones a lo largo de la historia. En ellos se pueden apreciar no solo los distintos aparatos electrónicos, que la humanidad fue creando y utilizando, sino también importantes reseñas de la historia de su invención, con los nombres de las personas involucradas y anécdotas de sus vidas.
Lejos de ser una atracción solo para especialistas, basta con una visita a ellos, ya sea en forma física o virtual, para comprender que atraen el interés de todas las personas. Al final de cuentas las telecomunicaciones han acompañado siempre a la sociedad desde sus orígenes. Visitas guiadas, conferencias, folletos y todo tipo de mecanismos pensados para ayudar al visitante de una manera amigable, hacen de las visitas a los museos de las telecomunicaciones una experiencia inolvidable, que le permite al visitante realizar un verdadero viaje en el tiempo.

Fig.1 – El Servicio telefónico en Madrid (Interior de la Estación Central, Prob. 1895) – Biblioteca Nacional
de España – Dibujo de Manuel de Alcázar
España

La Fundación Telefónica dispone en el espacio cultural “ESPACIO”, en la planta 2ª del edificio central de Telefónica, en la calle Gran Via en Madrid, de una Sala dedicada a la colección de la Historia de las Telecomunicaciones.
El Espacio Fundación Telefónica presenta la exposición Historia de las Telecomunicaciones. Colección Histórico-Tecnológica de Telefónica, una muestra que tiene como objetivo dar a conocer la evolución de las Telecomunicaciones, con un especial acento en la telefonía en España.
Desde telégrafos hasta móviles de última generación, las 50 piezas seleccionadas ilustran un viaje en el tiempo que ofrece una visión global del nacimiento de las Telecomunicaciones, desde sus primeros años, hasta llegar a nuestros días: un mundo de redes en comunicación instantánea, permanente y global.
Más que un recorrido nostálgico por aparatos y sistemas de antaño, la exposición es una muestra de cómo se realizó la búsqueda de mejoras y el progreso para lograr comunicarse mejor y más rápido. Esto revela, además, las increíbles transformaciones que el desarrollo de la comunicación a distancia ha provocado en la sociedad.
Las piezas seleccionadas se distribuyen cronológicamente en siete bloques temáticos. La muestra va acompañada de un amplio dispositivo de contenidos audiovisuales y de pantallas táctiles con información complementaria sobre las piezas, fotos y juegos, así como de una serie de álbumes de efemérides sociohistóricas de cada bloque. La exposición se inicia con una estructura circular que integra 23 pantallas que aluden con imágenes, y de manera metafórica, al concepto de comunicación y redes.
El recorrido se cierra con otra gran pantalla táctil que ilustra una mirada al pasado, el presente y el futuro de las Telecomunicaciones y que incluye entrevistas de antiguas profesiones, citas literarias, fragmentos de películas y otros materiales.
Protagonistas (Fig.2)
Los personajes que estuvieron involucrados con las telecomunicaciones tienen su lugar en este museo, ordenados alfabéticamente por sus apellidos. Siempre que sea posible se enlazan datos, biografía o reseñas a otras páginas para completar la información. Esta página esta en permanente actualización.

Fig.2 – Historia de las Telecomunicaciones - https://historiatelefonia.files.wordpress.com/2016/02/image1.png
Homenaje a las Telefonistas
“Telefonistas. El mundo en sus manos“, es un homenaje al importante papel que tuvieron estas mujeres para el desarrollo de las comunicaciones en España y en el mundo entero. Una serie de textos, imágenes y objetos del Patrimonio Histórico Tecnológico de Telefónica permite descubrir cómo era su trabajo, sus retos diarios, sus dificultades, sus ventajas… Las telefonistas, operadoras, o señoritas fueron, sin duda, las voces de una época. 
Para ingresar como telefonistas, tenían que superar varias pruebas: un dictado, hacer diferentes operaciones matemáticas, leer un texto por teléfono y, la más curiosa,  una prueba de longitud de brazos. La prueba de envergadura aseguraba que la mujer podría acceder a los extremos de su puesto: si un timbre sonaba, extendiendo los brazos debía conseguía tocar a la vez dos interruptores, situados a una determinada distancia el uno del otro. Las pruebas de cultura general, aparentemente sencillas, suponían una verdadera selección, ya que el acceso de la población femenina a la educación básica era muy limitado.

Fig. 3 – Una telefonista operando una central de conmutación  manual a clavijas a la izquierda y el repartidor a la derecha, donde los técnicos conectaban las distintas líneas mediante cruzadas.
En las primeras décadas del siglo XX, trabajar en Telefónica suponía un importante ascenso social. A pesar de ser un trabajo exigente, tenía más prestigio que otros trabajos desempeñados por mujeres en los talleres, las fábricas, el servicio doméstico o en el campo, y las condiciones laborales eran mejores y el sueldo más elevado. Otras características, como el reconocimiento social a su trabajo y las relaciones con otras compañeras al margen del ámbito puramente familiar, ofrecieron a la mujer de principios de siglo una nueva perspectiva de su situación, su papel en la sociedad y su relación con un entorno profundamente tradicional. Fueron los primeros pasos hacia una mujer moderna.
Museo de la Escuela de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación. UPM (Universidad Politécnica de Madrid) - http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/museos/integrantes/museos/MuseosUniversitarios/mupm/museo_telecomunicacion_upm/default.asp                      Los materiales conservados en este Museo abarcan la evolución de los equipos y aparatos utilizados en las técnicas de telecomunicación. En la actualidad cuenta con más de seiscientas piezas; parte de ellas se exponen en zonas públicas del edificio de la Escuela, por lo que su visita es libre; otra parte de la colección está conservada en instalaciones propias del Museo, y requieren de visita concertada.
Dirección:
Escuela de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación.
Carretera de Valencia Km. 7. Universidad Politécnica de Madrid.
Metro: Sierra de Guadalupe (L-1).
EMT: E, 63, 145, 54, 58, 103, 142, 143.

Reino Unido
Communications Museum Trust Ltd - http://www.communicationsmuseum.org.uk/about/
Es una compañía caritativa sin fines de lucro limitada por garantía. La junta directiva (fideicomisarios) es elegida cada año por nuestros miembros. La membresía está abierta a cualquier individuo, así como a organizaciones. Los fundadores tienen una amplia experiencia de trabajo con varios museos en todo el Reino Unido con importantes exhibiciones de comunicaciones e informática que se han unido para establecer el futuro para la preservación de la historia de las telecomunicaciones en el Reino Unido, reconociendo que era necesario un organismo central más formal para coordinar las colecciones que están geográficamente dispersas y aseguran que las habilidades técnicas y el conocimiento para mantener estas exhibiciones funcionando no se pierdan para las generaciones futuras. Planeamos registrarnos en la Comisión de Caridad una vez que nuestros ingresos superen el umbral mínimo que se requiere para el estado de caridad registrado. También estamos trabajando a más largo plazo para obtener el estatus de Museo Acreditado.
Museum of Communication - http://www.mocft.co.uk/
En enero de 1992, se estableció el Museum of Communication Foundation Trust (MoCFT), para proporcionar un foro para las personas interesadas en las comunicaciones y también para estudiar el desarrollo de la comunicación, con énfasis en la recolección, preservación y exhibición de artefactos que ilustran este desarrollo.
La Fundación está dirigida por un Consejo de Administración compuesto por miembros, que se reúnen periódicamente y gestionan todos los aspectos del Museo y sus operaciones.
La colección de aparatos de radio, televisión, telegrafía, telefonía, etc, que posee este museo es realmente excelente. Pasamos a mostrar solo algunos de ellos a continuación:


Fig.4 – Receptor de radio a galena

Fig.5 – Manipulador telegráfico de código Morse


Fig.6 – Teléfonos antuguos y um fonógrafo para oir música.


Fig. 7 - Teléfono escandinavo – 1895


Fig. 8 – Radio Philips, 1933


Fig. 9 – Central telefónica manual a clavijas (PBX)
Cronologías históricas
Además, en este museo existen escritas excelentes cronologías históricas, que permiten conocer los hechos relacionados que antecedieron a cada invención, que pueden ser consultadas en la página web del museo. Esto  permite entender que los inventos, que normalmente se adjudican a una sola persona, fueron el resultado final de la contribución de muchos que la antecedieron y cuya labor muchas veces es desconocida




miércoles, 12 de junio de 2019

Aporte de energías renovables en suministro eléctrico de Argentina en 2018



Fig.1 – Porcentaje de la participación de las energías renovables en el suministro eléctrico anual de Argentina en 2018 (Fuente: Cammesa)


domingo, 2 de junio de 2019

APLICACIONES DEL LASER – 2da Parte (Telecomunicaciones)



En la 1ra parte de esta nota vimos que el Laser se utiliza en: 1) Medicina; 2) Telecomunicaciones; 3) En la industria; 4) En ciencia y tecnología; 5) En las fuerzas armadas y presentamos las aplicaciones en medicina. En esta 2da parte presentaremos las aplicaciones en Telecomunicaciones.

2) Usos del Laser en Telecomunicaciones
a) Se usa en las comunicaciones de fibra óptica para enviar información a grandes distancias con bajas pérdidas.
Los LED no son fuentes coherentes de luz y, como tales, son mucho más difíciles de acoplar de manera eficiente al núcleo relativamente pequeño de la fibra óptica (tan pequeño como 9 micrómetros) y un ángulo de cono de aceptación relativamente bajo (aproximadamente 6 grados, medio ángulo, fuera del eje). Esto significa que simplemente no puede producir suficiente luz en la fibra. El LASER es fácil de acoplar y por ser una luz coherente y de alta intensidad permite obtener buenos resultados. (Fig.1 y Fig.2)

Fig1 – El LASER ingresando al núcleo de la fibra óptica.


Fig.2 – Acoplamiento del LASER a la fibra óptica.
Los tres tipos de LASER que se utilizan para la transmisión con fibra óptica son el LASER Fabry-Perot, el LASER de realimentación distribuida (DFB) y el LASER de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL). 
b) Se usa en redes de comunicación submarina.
Una aplicación que está siendo investigada es la comunicación entre un buque de superficie y un submarino. Se usa el diodo laser emitiendo luz azul y si bien las distancias son reducidas, la velocidad de transmisión en Gbits/seg es alta, comparada con las otras alternativas de comunicación. En la Fig.3 se muestran en forma esquemática las distintas alternativas y los alcances de cada una en forma comparativa: Ondas acústicas, microondas, LED azul y Laser azul.

Fg.3 - El Diodo Laser azul permite la comunicación submarina a 12,4 Gbps

c) Se usa en comunicaciones espaciales, radares y satélites.
El 22 de noviembre de 2001, por primera vez, se estableció un enlace de datos entre satélites utilizando un rayo LASER como portador de señal. A bordo del satélite Artemis de la ESA* (European Space Agency), lanzado en julio de 2001 por un cohete Ariane 5, estaba el sistema SILEX. Este sistema proporcionó un enlace de transmisión óptica de datos con el satélite de observación terrestre CNES SPOT 4, que estaba orbitando la tierra a una altitud de 832 km, mientras que el Artemis se encontraba temporalmente en una órbita estacionaria a 31.000 km de altura. (Fig.4)

Fig.4 – El Artemis y el SPOT 4 se comunican a través del
Sistema SILEX (Fuente: ESA)

El diciembre de 2006, el satélite Artemis, de la Agencia Espacial Europea, estableció con éxito enlaces LASER con un avión. Estos enlaces LASER aerotransportados, establecidos a una distancia de 40 000 km durante dos vuelos a altitudes de 6000 y 10 000 metros, representaron una primicia mundial.
* La ESA es una organización internacional con 22 Estados miembros: Austria, Bélgica, República Checa, Dinamarca, Estonia, Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Hungría, Irlanda, Italia, Luxemburgo, Países Bajos, Noruega, Polonia, Portugal, Rumania, España, Suecia, Suiza y el Reino Unido. 
Eslovenia es un miembro asociado. Canadá participa en algunos proyectos bajo un acuerdo de cooperación.
Bulgaria, Croacia, Chipre, Malta, Letonia, Lituania y Eslovaquia tienen acuerdos de cooperación con la ESA.
La Sede Central de la ESA se encuentra en París, donde se deciden las políticas y los programas, pero también tiene sitios en varios países europeos, cada uno de los cuales tiene diferentes responsabilidades.

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viernes, 8 de febrero de 2019

Entendiendo qué es el LASER.



Un láser es una máquina que hace que miles de millones de átomos bombeen billones de fotones al mismo tiempo, para formar un haz de luz realmente concentrado (Fig.1).

El término LASER es una sigla formada por las primeras letras de las palabras de la siguiente frase en inglés: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Frase que, traducida al español, sería: Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. En el transcurso de esta nota intentaremos encontrarle sentido a estas definiciones, explicando cada uno de los fenómenos involucrados en el LASER.

Fig.1 – Vista de un LASER emitiendo un haz de luz altamente concentrado
Conceptos básicos iniciales
En 1916 Albert Einstein publicó su famoso artículo Zur Quantentheorie der Strahlung (en alemán), que en inglés sería On the quantum theory of radiation y en español Sobre la teoría cuántica de la radiación, en el que describió teóricamente los procesos de interacción de la luz con la materia, que constituyen los tres principios en que se basa el funcionamiento de un LASER: absorción de energía por un átomo, emisión espontánea y emisión estimulada.
Para explicar estos principios usaremos el modelo del átomo de Bohr que, si bien no es el modelo más moderno, se adapta bien para este caso. Recordemos que este modelo representa al átomo con un núcleo, formado por protones y neutrones, alrededor del cual giran los electrones en órbitas circulares, a cada una de las cuales se le asigna un valor de energía, teniendo mayor energía los electrones que giran en las órbitas de mayor diámetro, de modo que cuanto más alejados del núcleo se encuentren, tendrán mayor energía.

Absorción de energía por un átomo
Normalmente, los electrones se encuentran en el nivel de energía más bajo posible, que se denomina estado fundamental del átomo. Si el átomo recibe energía, por ejemplo al ser iluminado con un fotón, como se muestra en la Fig.2, uno de sus electrones pasará a una órbita más alejada del núcleo respecto a la que se encontraba inicialmente. Esto se llama absorción y, en su nuevo estado, decimos que el átomo está excitado. Para que un electrón pase de una órbita a otra, más alejado del núcleo, la energía que tenemos que aportar al átomo tiene que ser exactamente igual a la diferencia de energía entre las órbitas. Si llamamos E2 a la energía de la órbita más alejada del núcleo y E1 a la energía de la más cercana al núcleo, se deberá cumplir que la energía E = h.f del fotón, donde h es la constante de Planck y f la frecuencia del fotón, deberá ser igual a la diferencia entre las energías de ambas órbitas: E2 – E1 = h.f.

Fig.2 – Un electrón pasa de una órbita de menor energía
a otra de mayor energía al absorber la energía de un fotón
Emisión espontánea
Un átomo excitado es inestable, permaneciendo en ese estado durante un tempo muy breve, del orden de 0,1 micro segundos. Volviendo muy rápidamente al estado fundamental, regresando el electrón a su órbita original y emitiendo la energía que absorbió antes, como un fotón. Este proceso se denomina emisión espontánea: el átomo emite luz por sí solo (espontáneamente). (Fig.3)

Fig.3 – Un electrón salta de una órbita de
mayor energía a otra de menor energía, en
forma espontánea, emitiendo un fotón.
Emisión estimulada
La emisión estimulada se produce cuando un átomo se encuentra excitado y es iluminado por un fotón de una energía igual a la diferencia de energía entre las dos órbitas, el electrón vuelve a su órbita original, emitiendo un fotón, que tendrá la misma magnitud, frecuencia, fase, dirección y sentido que el fotón que lo iluminó. Como el átomo fue “estimulado” por un fotón, y se obtienen dos fotones (el estimulador y el estimulado), se considera que hubo una amplificación de luz, con una ganancia igual a 2 (G=2). (Fig.4)

Fig.4 – Un átomo excitado es “estimulado”, al ser iluminado
por un fotón, volviendo el electrón a la órbita de baja energía
original y emitiendo un fotón idéntico al que lo estimuló (igual
magnitud, frecuencia, dirección, sentido y fase). 
El primer LASER
El Dr Theodore H. Maiman, trabajando en Hughes Research Laboratories in Malibu, California, inventó en 1960 el primer láser, conocido como el "láser rubí". (Fig.5)

Fig.5 – El primer LASER construído por Theodore H. Maiman en 1960
El cristal de rubí está compuesto por óxido de aluminio, donde algunos de sus átomos han sido reemplazados por átomos de cromo. El cromo le da al rubí su color rojo. En un láser de rubí, un cristal de rubí se coloca dentro de un cilindro reflectante de aluminio pulido. Un espejo totalmente reflectante se coloca en un extremo del cristal de rubí y un espejo parcialmente reflectante en el otro extremo. Una lámpara de flash de alta intensidad está en espiral alrededor del cristal de rubí, para proporcionar un destello de luz blanca que dispara la acción del láser, excitando los electrones en los átomos de cromo a un nivel de energía más alto (absorción). Al volver los electrones a su estado normal o fundamental (emisión espontánea), los átomos del cristal de rubí emiten fotones, produciendo su característica luz roja. Algunos de estos fotones se mueven en una dirección paralela al eje del  cristal de ruby, por lo que los espejos reflejan parte de esta luz hacia adelante y hacia atrás dentro del cristal de rubí, estimulando a otros átomos de cromo excitados para que emitan fotones, produciendo más luz roja (emisión estimulada), Los fotones que escapan por el espejo parcialmente reflectante, forman un haz muy concentrado de potente luz láser.
En la Fig.6, vemos una fotografía del Dr Maiman con partes de su LASER rubí.

Fig.6 - Theodore Maiman con partes del primer láser, en
Hughes Research Laboratories.
La inversión de la población
En el cristal, antes de conectar la lámpara de flash, los átomos se encuentran en su estado fundamental y decimos que la población de atomos no excitados es del 100%. A medida que los destellos de la lámpara de flash van excitando átomos, más y más electrones pasarán al estado de mayor energía y entonces decimos que la población  se está invirtiendo. Cuando la mayoría de los átomos del cristal se encuentren excitados, diremos que se ha producido una inversión de la población, porque el estado de cosas habitual en los átomos se intercambia (se invierte).
Para que un LASER funcione, es necesario que se produzca una inversión de la población lo mayor posible. La explicación está en que nos interesa que los fotones que se van produciendo impacten sobre átomos excitados, para que los estimulen y emitan fotones en fase. No queremos que los fotones que se van produciendo impacten sobre átomos en su estado fundamental, porque estos los van a usar para excitarse. Lo que buscamos es una reacción en cadena de fotones estimulados, para que estando en fase, se puedan sumar unos con otros y permitirnos obtener un haz de luz potente altamente concentrado.
El estado metaestable
Hasta ahora hemos hablado de dos estados posibles para los átomos del cristal del laser, pero la realidad es que a los fines de poder mantener los átomos en estado excitado durante más tiempo, que 0,1 micro segundos, aumentando la probabilidad de que sean estimulados por fotones, se eligen materiales para los cristales que tengan un estado metaestable. De hecho, el laser rubí del Dr Maiman tenía esa propiedad, como lo muestra en una nota que publicó en 1960 en la revista Nature: http://laserfest.org/lasers/history/paper-maiman.pdf .
Este estado metaestable tiene una energía algo menor que el estado excitado que habíamos considerado hasta ahora y un tiempo de vida de los átomos en él mucho mayor, del orden de 1 milisegundo. De esta forma resulta mucho más simple obtener la inversión de la población.  

Fig.7 – Cristal compuesto por átomos de 3 estados. El ground state,
es un término que también se usa para llamar al estado fundamental.
Un LASER de tres estados nos permite tener pulsos de luz a su salida, como se muestramn en la Fig.8. Para poder tener una onda contínua a su salida es necesario usar materiales para el cristal que estén compuestos por átomos de 4 estados.
¿Es la luz del LASER monocromática?
Un haz de luz nunca tiene exactamente una frecuencia. Incluso un solo bit de luz (un fotón) nunca tiene exactamente una frecuencia. Es fundamentalmente imposible que un fotón tenga exactamente una frecuencia. Los rayos láser pueden estar muy cerca de tener una frecuencia, pero nunca pueden tener exactamente una frecuencia. Dicho de otra manera, cada haz de luz físico tiene una extensión de frecuencias.Cuando un haz de luz tiene una muy pequeña dispersión de frecuencias, a menudo lo llamamos "monocromático". La palabra monocromática no significa que exista una sola frecuencia en la luz. Más bien, pretende implicar un rango muy estrecho de frecuencias contenidas en la luz, de modo que, para muchos propósitos prácticos, podemos aproximar la luz como que solo contiene una frecuencia.

Fig.8 – Salida pulsante de un LASER “monocromático”. El espectro de frecuencias, para que sea
realmente monocromático, debería ser un segmento de recta vertical, con ancho cero.
El premio Nobel de Física 2018
El premio Nobel de Físca 2018 fue otorgado a tres científicos por sus trabajos sobre el LASER (Fig.9).

Fig.9 - De izquierda a derecha: Gérard Mourou, Donna Strickland y Arthur Ashkin.

El estadounidense Arthur Ashkin, de 96 años, se llevó la mitad del premio, mientras que el francés Gérard Mourou, de 74 años, y la canadiense Donna Strickland, de 59 años, compartirán la otra mitad, precisó en el jurado de La Real Academia de Ciencias de Estocolmo.Arthur Ashkin ha sido reconocido por inventar la pinza óptica, un instrumento científico que emplea un rayo láser y que es capaz de captar y mover partículas, átomos, virus y otras células utiizando haces de luz. En 1987 esta herramienta demostró su gran potencial al lograr capturar bacterias vivas sin dañarlas. Fue entonces cuando Ashkin comenzó a investigar los sistemas biológicos. Hoy en día, las pinzas ópticas son muy usadas para investigar lo que los científicos denominan la maquinaria de la vida.
Por su parte, Gérard Mourou y Donna Strickland desarrollaron un método, conocido como CPA - Chirped pulse amplification, para generar pulsos ópticos ultracortos y de alta intensidad, una técnica con aplicaciones en la industria y la medicina. Su revolucionario artículo fue publicado en 1985 y fue la base de la tesis doctoral de Strickland. (Fig.10)
CPA - Chirped pulse amplification, es una técnica para amplificar un pulso de láser ultracorto hasta el nivel del petavatio (1015 vatios) consistente en descomponer el pulso de láser en sus componentes espectrales y luego amplificarlos desplazados en el tiempo, para volver a unirlos y obtener un pulso laser de muy alta potencia. Con este procedimiento se evita la destrucción y deterioro de los instrumentos ópticos utilizados en la amplificación, como sucedería si se tratara de amplificar el pulso original de LASER.

Fig.10 -  Chirped pulse amplification, en español “Amplificación de pulso gorjeado” 


Referencias



miércoles, 29 de agosto de 2018

¿Cómo funcionan los álabes de la turbina a viento?



En el diseño de los álabes de las modernas turbinas a viento, se utiliza el principio de las alas de los aviones, que si bien se usó en  molinos a viento desde unos 600 años antes que en los aviones, se hacía sin una explicación teórica precisa. Además se han estudiado todos los detalles del comportamiento del viento, mientras acciona a la turbina, a fin de capturar la mayor cantidad de energía posible. Algunos llaman “palas”, a los álabes de las turbinas a viento, pero por tratarse de una turbina, el nombre correcto es álabes, reservando la palabra palas para las herramientas que se usan para cavar o mover la tierra.

En la Fig.1 se muestra la sección transversal aerodinámica del ala de un avión.

Fig.1 – Sección transversal del ala de un avión. Cortesía de Wikipedia:
En la Fig.2 se muestra el álabe de una turbina a viento con su sección transversal aerodinámica similar a la del ala de un avión.

Fig. 2 – Álabe de una turbina a viento mostrando su constitución
de perfiles aerodinámicos como las alas de un avión. Captura de

Los conceptos básicos en los aviones
Enunciaremos los conceptos básicos para los aviones. Luego, basándonos en ellos, lo haremos para las turbinas a viento, tratando de asociar ambas cosas.
En la Fig.3 se muestra el detalle de un perfil aerodinámico de la sección transversal del ala de un avión.

Fig.3 – Parámetros básicos del perfil de la sección transversal del ala de un avión

 
Trayectoria de vuelo: Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento en el aire; es decir es la trayectoria que siguen las alas y por lo tanto el avión.
Viento relativo: Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de sentido opuesto. Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.
Extrados: contorno superior del perfil aerodinámco del ala entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Intrados: contorno inferior del perfil aerodinámico del ala, entre el borde de ataque y el borde de fuga.
Línea de cuerda: línea recta definida por dos puntos, el borde de ataque y el borde de salida.
Cuerda: segmento de recta entre el borde de ataque y el borde de salida, contenido en la línea de cuerda.
Borde de ataque: es el borde delantero del ala, o, dicho de otra forma, la parte del perfil del ala que primero toma contacto con el flujo de aire. Es el punto en el que primeramente el aire toma contacto para que posteriormente tome dos rumbos: parte del aire pasa por el extradós y la otra parte del aire pasa por el intradós.
Borde de fuga: es el punto del perfil de un ala en el que el aire del extradós y del intradós abandonan el contacto con el ala. Es el borde posterior del ala.
Ángulo de ataque: es el ángulo agudo formado entre la cuerda del perfil del ala y la dirección del viento relativo.
Las cuatro fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo
En la Fig.4 (a) y (b) se pueden ver las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo. El empuje o tracción (thrust en inglés) es producido por los motores o turbinas del avión y la resistencia al avance (drag en inglés), también llamado arrastre, es producido por el frotamiento del aire.
Los aeronáuticos descubrieron que cuando el ala de un avión se mueve en el aire, el flujo de aire que circula por la parte superior del perfil (Extrados) lo hace a mayor velocidad que el que circula por debajo (Intrados). A partir de esto, mediante la aplicación del teorema de Bernoullí y la 3º Ley de Newton, llegaron a la conclusión de que la presión del aire contra el ala es mayor en la parte inferior que en la parte superior. Esto trajo como consecuencia que se produzca una fuerza resultante de la diferencia entre ambas presiones, con sentido hacia arriba (sustentación en español y lift en inglés), que compensa la fuerza de la gravedad (peso del avión, weight en inglés) y es lo que les ha permitido volar con un aparato más pesado que el aire. Esto es válido, como veremos a continuación, mientras el flujo de aire se mantenga en régimen “laminar”, en el cual es válido el teorema de Bernoullí.
Si bien hay muchas opiniones encontradas sobre la explicación de algunos detalles de este principio, lo podemos utilizar con tranquilidad porque los aviones se mantienen en el aire con su aplicación.

Fig.4 (a) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo (en inglés)

Fig.4 (b) – Las 4 fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo (en español)

Importancia del ángulo de ataque en aviación
Cambiando el ángulo de ataque el piloto controla la sustentación, la velocidad, la resistencia, etc. El ángulo de ataque controla directamente la distribución de presiones arriba y abajo de las alas.
A medida que se incrementa el ángulo de ataque tenemos más sustentación (y también más resistencia). Pero este proceso tiene un límite. Cuando el ángulo de ataque excede el “ángulo crítico” comienza a disminuir la sustentación hasta producirse la entrada en “pérdida”.
La pérdida (en inglés stall) es el efecto provocado por la incapacidad de las alas para seguir produciendo sustentación y se produce cuando el avión vuela con un ángulo de ataque mayor que el ángulo de ataque crítico. No hay nada mágico en este ángulo, la sustentación no cae a cero, es más, en este punto es donde se alcanza el coeficiente máximo de sustentación. Lo que sucede es que pasado este ángulo critico, disminuye la sustentación y la resistencia se incrementa dando lugar a la entrada en pérdida.
Flujo laminar: Es un flujo en el cual el fluido puede ser considerado que se mueve en capas uniformes denominadas láminas.
Flujo turbulento: En este tipo de flujo las láminas fluyen desorganizadas, tanto en su dirección como en su velocidad.
Si el régimen del flujo de aire que recorre el perfil deja de ser laminar, se va haciendo cada vez más turbulento, hasta que llegará un momento en que perderá la sustentación o lift y el teorema de Bernoullí deja de ser aplicable.

Fig.5 – El flujo laminar de aire se rompe, no hay fuerza lift para
sostener al avión en el aire cuando el ángulo de ataque es excesivamente
grande.
 Aplicación a las turbinas a viento
Una turbina con el eje del rotor montado horizontalmente (paralelo al suelo) se conoce como turbina eólica de eje horizontal y en la literatura en inglés se la llama HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). Al aerogenerador de eje vertical se lo llama VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). Como ejemplo de VAWT, tenemos a la turbina Savonius, que aprovecha la fuerza Drag, que es mayor en la parte cóncava de los álabes (Fig.6). Esta diferencia entre las fuerzas es lo que hace girar a la turbina sobre el eje vertical.

Fig.6 – Turbina Savonius de eje vertical, que es accionada por la fuerza drag.
A partir de ahora nos referiremos exclusivamente a las turbinas HAWT, es decir de eje horizontal.
Cuando se prueban las diferentes partes de un avión en los túneles de viento, estas permanecen quietas y lo que se mueve es el aire (viento), asemejándose a la realidad de los aerogeneradores. A fin de los análisis, ambas situaciones se consideran equivalentes.
En las modernas turbinas, que tienen un perfil aerodinámico, se aprovecha la fuerza de sustentación (LIFT), para hacer girar los álabes, como muestra la Fig.7.

Fig.7 – Fuerza lift en acción haciendo girar los álabes aerodinámicos.
Utilizando una veleta como sensor de la dirección del viento, un sistema automático de control gira la góndola, de manera que el eje del rotor quede siempre alineado en paralelo con la dirección del viento, para que siempre el viento impacte de frente al rotor, como se muestra en la Fig.8 y en la Fig.9. El giro se realiza mediante un mecanismo con engranajes, ubicado debajo de la base de la góndola. Esta función se denomina Yaw-drive en inglés y se puede ver en la Fig.12.

Fig.8 – Alineamiento de la turbina con el viento, usando una
veleta como sensor, ubicada en la parte superior trasera de
la góndola.


Fig.9 – Vista del anemómetro prara medir la velocidad del viento y de la
veleta para sensar la dirección del viento. Ambos ubicados en la parte
superior trasera de la góndola del aerogenerador.

El viento que llega a los álabes del rotor de un aerogenerador HAWT no viene de la dirección en la que el viento sopla en el entorno, es decir, de la parte delantera de la turbina. Esto es debido a que los propios álabes del rotor se están moviendo.
El viento que llega al perfil de cada sección transversal de los álabes, lo hará con una velocidad resultante de la suma de la velocidad del viento que está alineada con el eje del rotor de la turbina más la velocidad con la que se está moviendo cada sección transversal. (Fig.10).

Fig.10 – Triángulo de velocidades del viento
Al viento cuya velocidad está alineada con el eje del rotor, se le suele llamar “viento real”. Al viento cuya velocidad impacta sobre el perfil de cada sección transversal de los álabes se le suele llamar “viento aparente” o “viento relativo”. Y por último, a la velocidad de cada sección transversal de los álabes, se le suele llamar “viento rotacional”.
La velocidad angular de la turbina (medido en radianes/segundo) será la misma para toda la turbina y para el perfil de cada sección transversal de los álabes la velocidad tangencial será diferente y vendrá dada por:

v = ω . r

Donde v es la velocidad tangencial del perfil de cada sección transversal del álabe (viento rotacional), ω es la velocidad angular del rotor y r es la distancia de cada sección transversal al eje del rotor.
Para una velocidad del viento real dada, la velocidad del viento aparente será diferente en la raíz del álabe que el viento aparente en la punta del álabe, porque la velocidad del viento rotacional es diferente.
El ángulo que forma la dirección del viento aparente con la línea de cuerda del perfil aerodinámico, se define como el ángulo de ataque de la turbina eólicaAl igual que con las alas del avión, la sustentación (lift) aumenta a medida que el ángulo de ataque aumenta de 0º a un máximo de aproximadamente 15º, en cuyo punto cesa el flujo laminar suave del aire sobre el álabe y el flujo de aire se separa del perfil aerodinámico y se vuelve turbulento. Por encima de este punto, la fuerza de sustentación (lift) se deteriora rápidamente mientras que el arrastre aumenta y conduce a un bloqueo.
Para una velocidad angular ω dada, la velocidad tangencial v de las secciones transversales del álabe aumenta desde la raiz a lo largo del álabe hacia la punta, de modo que la inclinación del álabe debe retorcerse para mantener el ángulo de ataque óptimo en todas las secciones transversales a lo largo de la longitud del álabe. Así el giro del álabe estárá optimizado para una velocidad del viento dada. Sin embargo, a medida que la velocidad del viento cambie, la torsión ya no será óptima. Para mantener el ángulo de ataque óptimo a medida que aumenta la velocidad del viento, entrará en acción el mecanismo que, sensando la velocidad del viento con el anemómetro, hace girar los álabes, como se muestra en la Fig.11, para retomar los ángulos de ataque óptimos para el nuevo viento. Este mecanismo se llama Pitch Controler en inglés y se puede ver en la Fig.12.

Fig.11 – Los álabes giran en función
del viento para retomar el ángulo de
ataque óptimo
El pitch controler también tiene la misión de girar los álabes cuando hay un viento muy fuerte, reduciendo la velocidad, para evitar una sobrepotencia o que la turibina se dañe. En síntesis, el Pitch Controler actúa como un regulador de velocidad.
Además las turbinas cuentan con un freno que actúa como una pinza sobre el eje y que las detiene completamente cuando hay un viento muy fuerte, como se muestra en la Fig.13.

Fig.12 – Vista de un aerogenerador General Electric  de 4MW, sin caja multiplicadora, con generador sincrónico de imanes permanentes, rectificador e inversor, tiene Yaw drive para que la góndola rote y se ubique siempre con el eje del rotor paralelo a la dirección del viento, usando una veleta como sensor de la dirección del viento y control electrónico. Dispone además de pitch controller para que las palas (blades) puedan girar y mantener el ángulo de ataque óptimo con la dirección del viento en cada momento, regulando así la velocidad tangencial del rotor.


Fig.13 – Freno que detiene completamente la rotación de la turbina

La curva de potencia de una turbina a viento
La curva de potencia de una turbina eólica es un gráfico que indica cual será la potencia eléctrica de salida para la turbina a diferentes velocidades del viento real.
Las curvas de potencia se trazan mediante mediciones de campo, donde se coloca un anemómetro en un mástil razonablemente cerca de la turbina eólica (no en la propia turbina o demasiado cerca de ella, ya que el rotor de la turbina puede crear turbulencias y hacer que la velocidad del viento no sea confiable).
Si la velocidad del viento no está fluctuando demasiado rápido, se pueden usar las medidas de velocidad del viento del anemómetro y leer la potencia eléctrica emitida por la turbina eólica y trazar los dos valores juntos en un gráfico como el de la Fig.14.
También se pueden usar los datos obtenidos del sistema SCADA que forma parte de la instalación del parque eólico.
La Norma IEC 61400-12-1 es el estándar más aceptado para la medición de la curva de potencia de las turbinas a viento individuales.
El estándar describe la metodología de medición para la curva de potencia medida, que se determina mediante la medición simultánea de la velocidad del viento y la potencia de salida en el sitio de prueba.
La curva se divide en 4 regiones: 1º) Cuando la turbina está parada, a la izquierda, hasta que arranca en cut – in speed, a una velocidad del viento real de 3,5 m/seg; 2º)Desde que la turbina aaranca, hasta que llega a la potencia nominal, con una velocidad del viento real de 14 m/seg; 3º) Desde que llega a la potencia nominal, hasta que es parada por la acción del freno a 25 m/seg. En esta zona actúa el pitch controller, regulando su velocidad; 4º) Desde que es parada por la acción del freno, debido a fuertes vientos, quedando fuera de servicio.
Los valores de los vientos indicados en la curva son típicos para todas las turbinas.

Fig.14 – Curva típica de potencia eléctrica de salida de una turbina a viento, con pitch controller, en función
de la velocidad del viento real.

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