De alas giratorias y el efecto Magnus

imgDe un salto, con un poco de equilibrio, viajemos al siglo XIX. Pongamos que, por ejemplo, hemos llegado a Berlín hacia 1860. Dando una vuelta por la universidad, caeremos por azar en las aulas de ciencias. ¿Quién está ahí, parlamentando con sus alumnos con especial entusiamo? Con rostro contundente y expresión solemne, un hombre de blancos cabellos desordenados maneja algún tipo de aparato eléctrico que descansa sobre una mesa de madera. A su alrededor, estudiantes y curiosos observan cómo el profesor lleva a cabo diversos experimentos. El protagonista de esta escena imaginaria recibió el nombre de Heinrich Gustav Magnus, magnífico docente que mostraba tal pasión en sus clases, y también en sus viajes de estudio para visitar todo tipo de industrias, que no sólo estaba rodeado siempre por sus alumnos, sino que gentes de toda condición acudían a escuchar sus explicaciones e, incluso, formó una especie de tertulia científica y técnica en su propia casa. Como profesor de física en la universidad berlinesa no tenía precio y, como investigador, alumbró importantes descubrimientos en química y física durante décadas. Naturalmente, poco sonará este nombre a la mayoría, quizá lejanamente recordará a algunos cierto efecto físico que ha sido llamado Magnus en su honor, puesto que el profesor alemán fue el primero en describirlo.

¿Qué es el efecto Magnus? Imaginemos un objeto lanzado al aire. Surcando este fluido gaseoso, el objeto mostrará cierta trayectoria que, debido a que se encuentra rotando, se verá modificada por ello. Siendo más claro, cualquier cosa que gire sobre sí misma al surcar los cielos, tendrá un comportamiento diferente comparado con un objeto similar que no rotara. Cuando el objeto rota, genera una corriente de aire a su alrededor, que será más rápida cuando circula a favor del movimiento general del cuerpo y más lenta en el lado opuesto, formándose así una diferencia de presion entre los extremos del objeto en rotación que crea una fuerza perpendicular a la corriente de aire generada. Esa fuerza es la que modifica la trayectoria original del objeto. No he querido introducir ecuaciones en la descripción porque la mayoría huirían con sólo ver una de lejos. Acúdase, para una explicación informal pero rigurosa, por ejemplo, a CPI:

Consultorio CPI: El efecto Magnus

Pero ¿ésto verdaderamente tiene alguna aplicación o lo podemos percibir en la vida cotidiana? Sí, aunque no nos demos cuenta, el efecto Magnus se manifiesta en muchas situaciones. Véanse, como muestra, los comportamientos de las pelotas lanzadas “con efecto”, que tantas veces hemos contemplado en múltiples deportes y que, consiguen tan curiosos movimientos gracias a diversos fenómenos físicos, estando el efecto Magnus entre ellos. Desde el diseño de armas a la aeronáutica, el estudio de este efecto ha encontrado múltiples campos de aplicación. He aquí, siendo un poco radical, lo que puede suceder si queremos aprovechar al máximo el efecto Magnus en el diseño de alas para aviones. Tómense unas alas y, siguiendo su eje longitudinal, instálese en su interior cilindros rotatorios movidos por la energía de un motor a gran velocidad. ¿Qué se consigue con semejante artilugio? Se supone que la corriente de aire creada por los cilindros giratorios, mejorarían la sustentación al crear una fuerza de empuje vertical. No se puede decir que la idea haya tenido mucho éxito, pero se ha intentado probar en numerosas ocasiones, aunque sólo de forma experimental. Por ejemplo, el aparato de la imagen corresponde al modelo 921-V de 1930, fabricado en Estados Unidos, que no terminó muy bien sus días.

img

Véase: Spinning Wings – The Magnus-Robbins Effect

Igualmente, el efecto Magnus ha encontrado aplicación en navegación marítima: Ciencia15 – Velas cilíndricas, Alcyone y efecto Magnus


25 Comentarios

23.09.08

De alas giratorias y el efecto Magnus

[c&p] ¿Qué es el efecto Magnus? Imaginemos un objeto lanzado al aire. Surcando este fluido gaseoso, el objeto mostrará cierta trayectoria que, debido a que se encuentra rotando, se verá modificada por ello. Siendo más claro, cualquier cosa que…

23.09.08

¿En qué magnitud puede afectar el efecto Magnus en un disparo de artilleria (presupongo que el proyectil sale con velocidad angular) de largo alcance? No sé si en concreto los proyectiles de artilleria salen girando sobre sí mismos. Los de cañón de tanque seguro que sí.

Por una vez conocía sobre lo tratado, que creo que descrubrí precisamente gracias a Consultorio CPI.

salu2!

23.09.08

#orayo: Sí, los proyectiles de armas de fuego salen del cañón rotando sobre su eje longitudinal, gracias al estriado interior de los cañones, se proporciona así estabilidad en la trayectoria pero, en este caso, no tiene mucho que ver el efecto Magnus, al menos eso entiendo yo, porque el proyectil gira, como he comentado, siguiendo su eje longitudinal, el mismo de la trayectoria, mientras que, para percibir el “poder” del efecto Magnus, como en las alas del avión que presento en el artículo, tendría que rotar en el otro eje, en el transversal con respecto al de movimiento. Espero que se haya entendido el razonamiento, un tanto complicado. ;)

23.09.08

Sí, se ha entendido perfectamente. Lo que no se entiende es que yo haga lecturas tan superfluas. Me fustigo.
Pero mira, creo que gracias a este comentario podemos iniciar una discusión.

Supongo que este efecto se producirá siempre, sin importar la dirección del eje de rotacion, pero en los casos en que el objeto NO gira respecto de un eje transversal a la direccion del fluido que se atraviesa el efecto es despreciable.
Lo que me gustaría confirmar es si girando el objeto sobre el eje longitudinal, paralelo a la trayectoria es si el efecto existe, pero es despreciable o no se produce.

Estoy convencido de que existe pero como las velocidades del fluido se ven afectadas por una componente perpendicular el valor del módulo se ve poco afectado (supongo que una es mucho mayor que la otra). Además, cuanto mayor sea la velocidad del fluido con respecto a la velocidad lineal del punto que gira menor sera el efecto. Quiza por esto un proyectil balístico no modifica su trayectoria. No consigo encontrar valores de velocidad de un proyectil y revolucion, sino me gustaria hacer una comparacion entre velocidad relativa con el aire y velocidad lineal de un punto exterior para hacer una valoracion.

Lo que me hace cuestionarme esto es el video del disparo de Roberto Carlos en Consultorio CPI, puesto que el balón toma efecto hacia la izquierda porque segun se observa (espero no errar) esta girando en sentido antihorario respecto del eje vertical.

He estado mirando la teoria desde esta web:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/magnus/magnus.htm

Perdon de antemano por todos los fallos, ataques al sentido común y afrentas a la fisica.

23.09.08

#orayo: ¡¡No tienes que pedir perdón!! Tu comentario es estimulante. El efecto no se manifiesta porque si el giro del objeto es, como en el caso de una bala, en el eje longitudinal, podría considerarse despreciable. No tengo a mano cálculos y, por desgracia, no puedo ahora ponerme a buscar las ecuaciones, pero seguro que en tratados de balística y mecánica está descrito. Si no se me pasa, lo miraré más adelante. :)

24.09.08

No soy experto en el tema, pero sospecho que la razón por la que la rotación sobre el eje longitudinal da estabilidad a la trayectoria de los proyectiles es el efecto giroscópico.

24.09.08

hola, alejandro, me gustaria mucho poder incluir mi foto en estos comentarios.
del articulo, me fascina el toque de historia, al estilo cebrian.
enhorabuena..

24.09.08

Hola, Diego Franco. Para que salga una foto o un avatar cualquiera tienes que registrarla en Gravatar. Muchos blogs, entre ellos la mayoría de los basados en WordPress soportan Gravatars

24.09.08

Ummm leo en la pagina que pones que estos cilindros del avion no estan “locos”, deben girar propulsados por el motor.

Orayo, los cañones de los tanques ahora mismo no están estriados, tampoco piezas moderdpero en cañones estriados no se tiene en cuenta el efecto magnus por que no desvia el proyectil hacia ningun lado en particular. Si que es importante el efecto giroscopico, y segun el sentido de giro la bala se desvía para la derecha o la izquierda.

Las balas salen girando a muchos cientos de miles de rpm, cuanto mas alargada sea la bala, mas giro es necesario para estabilizarla.

24.09.08

#josemi: Tienes razón con lo de los cilindros, deben estar movidos por el propio motor porque, de otra forma, no se generaría la fuerza necesaria como para que el efecto Magnus fuera perceptible en las alas. Ahora mismo corrijo el error. :)

24.09.08

Perdon de antemano por todos los fallos, ataques al sentido común y afrentas a la fisica (que haya podido escribir o escriba en el futuro). No estoy fino ultimamente.

Por partes:
alpoma, si no es mucha molestia y puedes linkearme a alguno de esos tratados les echaría un ojo encantado.

suso, no cuestionábamos el porqué del giro sobre sí mismos de los proyectiles. Efectivamente, es para estabilizarlos. Me interesaba saber si ese giro producia un efecto Magnus. Se produce y es despreciable.

josemi, lo de los tanques lo dije porque vi una captura en slowmotion de un disparo de APFSDS y éste salía girando. Creo que generalicé demasiado rapido.
Entonces cañones tanque y artilleria moderna no tienen ánima estriada. Tomo nota mental.

Luego me comentas el caso de un cañon estriado:
¿De qué manera el efecto giroscópico desvía el proyectil?
No veo lógico porque si se da giro al proyectil para estabilizarlo eso mismo vaya a desviar su trayectoria. Dependerá, claro, de otros efectos y de su importancia.

¿Será posible que el sea el efecto Coriolis el que hace que los disparos de largo alcance se desvíen apreciablemente?

salu2

24.09.08
24.09.08

#orayo: Pues no, no puedo “linkearlos”, porque están en libros de verdad, de los de papel de toda la vida, al menos los que recuerdo haber visto en la biblioteca de la facultad relacionados con balística y similares. Naturalmente, seguro que existen equivalentes en la red, sobre todo en inglés. ;)

24.09.08

Perdón por el spameo. En la entrada de la wikipedia sobre efecto coriolis, en el apartado balística y hablando del desvío de un disparo:
“Las opiniones divergen sobre la importancia de este error, comparado con la influencia de otras fuerzas y, sobre todo, con la fuerza provocada por el efecto Magnus sobre proyectiles que giran axialmente.”

OSCURIDAAAAD!

24.09.08

#orayo: Personalmente pienso que el efecto coriolis aquí es prácticamente despreciable, como lo sería también el Magnus. Posiblemente son más importantes en la desviacion los fenómenos ambientales locales, esto es, la meteorología, los vientos, por leves que sean.

24.09.08

Buf, me parece a mi que esta mal la wikipedia.

El efecto coriolis es importante en artilleria de muy largo alcance, su influencia se puede calcular y creo que si que la calculaban a la hora de disparar cosas tipo el cañon gran Bertha.

El efecto giroscopico se debe a que la bala gira en el aire aparte de sobre su eje, es decir, imaginemos una cañon que apunta con un angulo de 45º hacia arriba. A lo largo de la trayectoria parabolica, la bala va rotando por la resistencia aerodinamica hasta caer al suelo de punta, pongamos que a 45º. Ese giro en el aire produce un efecto giroscopico que hace que la bala se desvie en el otro eje, es decir, lateralmente. Creo que este efecto se puede observar ya con un fusil corriente de precision.

Orayo, posiblemente verias un documental ingles. Los tanques ingleses son los unicos que montan un cañon estriado todavia. Es un tema de cabezoneria mas que nada.

La mayor parte de artilleria usa cañones estriados, solo unos pocos modelos muy modernos estan usando tubos lisos.

25.09.08

Coincido con alpoma en que fenomenos meteorológicos tienen mucha mayor importancia. ¡Cuantas horas habrá desperdiciado un amigo mío calibrando la mira de su escopeta de perdigones sin tener en cuenta que los balines no es que se caractericen por ser todos iguales o sin tener en cuenta que justo durante el disparo puede soplar una imperceptible brisa! En fin, él es feliz y a mi me deja disparar.

Me ha quedado claro lo del efecto magnus y todo el tema de estriado de cañones. Gracias

salu2

[…] Viendo: De alas giratorias y el efecto Magnus http://www.alpoma.net/tecob/?p=1001 # […]

28.10.08

Muy interesante y bien fundamentadas las opiniones y aseveraciones.
En cuanto al efecto Coriolis:
En los disparos de torpedos (navales) se introduce la Latitud con el objeto de corregir el efecto Coriolis sobre el giróscopo de dirección (en los antiguos torpedos) porque el giroscopo al estar girando es estable con respecto al espacio y no respecto a la tierra que está girando (ver péndulo de Fucault).
Respecto a las salvas de artillería naval, en el cálculo se introduce la Latitud y la dirección (Azimuth) del disparo porque SI afecta. El proyectil balístico una vez que está en el aire, su movimiento es independiente del movimiento del buque, de la Tierra y de la Galaxia, pero dicho proyectil está destinado a caer sobre la Tierra que ha seguido girando.
Inmaginar un disparo desde el Ecuador en dirección Norte… APARENTEMENTE se desviará a la izquierda, de hecho es la Tierra la que se ha movido. Ahora un disparo en dirección Sur, APARENTEMENTE el proyectil caerá desviado a la derecha. Este efecto va cambiando dependiendo de la dirección del disparo, si disparas en dirección Este el proyectil caerá corto , y si lo haces al Weste, caerá largo.
En el caso del torpedo naval, su movimiento lo hace con respecto al agua y no con referencia a la rotación de la Tierra, de eso se encargan las corrientes marinas. Salud y viento a un largo!

28.10.08

Perdón, agregar que:
Un proyectil de artillería naval puede estar varios segundos en el aire, dependiendo de la distancia, no recuerdo datos pero 15-30 segundos, mientras la Tierra gira a una velocidad tangecial bastante importante, no recuerdo números pero si metes ese dato verás que si influye.
Gracias.
P.S. Estoy hablando de proyectiles de más de 6 inch, velo. inicial baja subsónica.

07.03.09

por qué una pelota no se cae cando es impulsada con un chorro de aire?

21.08.09

No lo tengo claro. La trayectoria de la bala al salir del cañon, (balistica exterior) Lo
hace en linea recta o parabolica, Se entiende apuntando recto y con cañon
estriado. A parte de la respuesta , hay alguna forma tecnica o matematica de
demostrarlo. Un saludo SONDOCU

05.11.09

si aplican bernoulli a un disco que gira y se traslada en el aire, van a comprender facilmente el efecto magnus,ya que considerando que la diferencia de altura es cero, si la velocidad disminuye la presion aumenta provocando que cambie su trayectoria.

17.12.09

this
Thank you for such diligence.

[…] Es, como puede verse, de un concepto futuro, que incluso se ha planteado para aviones de pasajeros. Hoy día existen varios prototipos UAV y poco más, pero en un tiempo podrían convertirse en algo más complejo. La idea del FanWing, “ala ventilador” o, como me gusta llamarlo personalmente, “ala rodillo”, no es completamente nueva, pero es desde el diseño de Patrick Peebles de 1997 cuando más desarrollo ha alcanzado (véase como antecedente este artículo en TecOb: De alas giratorias y el efecto Magnus). […]

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